Contrôle de l'atmosphère dans un four à bande transporteuse : mélanges d'azote, de gaz endothermiques et d'hydrogène
Le contrôle de l'atmosphère est ce qui distingue un four de traitement thermique d'un four d'oxydation thermique. Un même four, avec une atmosphère inadéquate, produit des pièces fortement calaminées, non conformes aux normes de qualité. Avec une atmosphère optimale, les pièces sont brillantes, propres et prêtes pour l'étape suivante. La différence est loin d'être négligeable. Le coût du contrôle de l'atmosphère représente généralement 15 à 25 % des coûts d'exploitation d'un four à bande transporteuse, et le système lui-même représente 20 à 30 % du coût d'investissement du four. Investir dans un système performant est donc judicieux.
Pourquoi l'atmosphère est importante
À des températures supérieures à 500 degrés Celsius, l'acier réagit avec l'oxygène, la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone présents dans l'air. Ces réactions forment une couche d'oxyde de fer, décarburent la surface et rendent la pièce inutilisable pour de nombreuses applications. L'objectif d'une atmosphère contrôlée est de remplacer l'air ambiant et de créer un environnement chimique inerte vis-à-vis de l'acier.
L'atmosphère joue également un rôle actif dans certains procédés. Les gaz endothermiques déposent du carbone sur la surface de l'acier (carburation). Les atmosphères contenant de l'ammoniac déposent de l'azote (nitruration). Les atmosphères contenant de l'hydrogène réduisent l'oxyde de surface existant (recuit brillant). L'atmosphère adéquate est celle qui permet d'obtenir la chimie de surface souhaitée et d'empêcher les réactions indésirables.
Atmosphères à base d'azote
L'azote est l'atmosphère protectrice la plus couramment utilisée dans les fours à bande transporteuse. Il est économique, facilement disponible et efficace pour de nombreux procédés. L'azote pur convient notamment au recuit brillant du cuivre, à la relaxation des contraintes des aciers faiblement alliés et aux procédés à basse température (inférieure à 700 °C).
L'azote pur ne convient pas au traitement thermique de l'acier au carbone entre 850 et 880 °C. En effet, à ces températures, l'azote n'empêche pas la décarburation, ce qui entraîne une diminution de la teneur en carbone en surface. La couche décarburée ainsi formée est molle et peut provoquer la rupture de la pièce en service.
Pour la trempe de l'acier au carbone, l'atmosphère standard est un gaz endothermique, parfois additionné d'une petite quantité de gaz naturel pour enrichir le potentiel carbone. Ce gaz endothermique est produit par réaction du gaz naturel avec de l'air dans une cornue chauffée entre 950 et 1000 degrés Celsius, en présence d'un catalyseur au nickel. La réaction produit un gaz composé d'environ 40 % d'hydrogène, 20 % de monoxyde de carbone, 40 % d'azote et des traces de méthane et de vapeur d'eau.
Gaz endothermique (gaz endo)
Le gaz endothermique est l'atmosphère de prédilection pour la trempe de l'acier au carbone dans les fours à bande transporteuse. Le potentiel carbone du gaz est contrôlé à la valeur cible pour la nuance d'acier (généralement de 0,4 à 0,8 % C), et le gaz ajoute ou retire du carbone de la surface de l'acier afin de maintenir cette valeur.
Le potentiel carbone est contrôlé par un analyseur de point de rosée ou un analyseur de CO₂ infrarouge. Le régulateur module le rapport air/gaz dans le générateur endothermique afin de maintenir la valeur de consigne. Le générateur endothermique fonctionne entre 950 et 1 000 °C et consomme de 0,10 à 0,15 m³ de gaz naturel par mètre cube de gaz endothermique produit.
L'inconvénient du gaz endothermique réside dans la complexité du générateur. La cornue, le catalyseur, le système de mélange air-gaz et la boucle de régulation du potentiel carbone nécessitent tous une maintenance. Les générateurs endothermiques modernes sont fiables, mais l'opérateur doit néanmoins surveiller en permanence le potentiel carbone et remplacer le catalyseur tous les deux à trois ans.
Mélanges hydrogène-azote pour recuit brillant
Les pièces en acier inoxydable et en acier à outils nécessitant une surface brillante et exempte d'oxyde sont recuites dans des mélanges hydrogène-azote, la teneur en hydrogène étant généralement de 25 à 75 %. L'hydrogène agit comme agent réducteur pour reconvertir l'oxyde de surface en métal, tandis que l'azote sert de gaz vecteur et de diluant de sécurité.
L'utilisation d'atmosphères d'hydrogène pur permet d'obtenir une finition d'une brillance exceptionnelle, mais elle exige un four antidéflagrant et des systèmes de sécurité complets. Les mélanges d'hydrogène contenant de 25 à 75 % d'hydrogène sont plus sûrs et offrent un gain de brillance similaire à moindre coût.
Le mélange hydrogène-azote est fourni soit sous forme de gaz prémélangé par un fournisseur, soit sous forme de gaz séparés mélangés à l'entrée du four. Le rapport de mélange est contrôlé par des régulateurs de débit massique et le point de rosée du mélange est surveillé en continu. Un point de rosée élevé (supérieur à -40 °C) indique une fuite ou une contamination de l'alimentation en gaz ; le four doit alors être arrêté jusqu'à résolution du problème.
Les atmosphères contenant de l'hydrogène sont explosives à des concentrations supérieures à 4 % dans l'air. Le four à bande transporteuse doit être conçu avec des séquences de purge appropriées, des tests d'étanchéité et une ventilation de secours. MONTE INTELLIGENCE conçoit des fours à bande transporteuse pour l'hydrogène dotés de systèmes de sécurité redondants et d'un cycle de pré-purge qui élimine l'air du four avant chaque chauffe.
Atmosphères à base d'ammoniac pour la nitruration
Pour la nitruration de pièces spéciales, on utilise de l'ammoniac ou des mélanges ammoniac-azote. L'ammoniac se décompose à la température de nitruration (500 à 600 °C) pour libérer de l'azote atomique, qui diffuse dans la surface de l'acier. On obtient ainsi une couche superficielle dure et résistante à l'usure, sans trempe.
Dans les fours à bande transporteuse, on utilise une atmosphère d'ammoniac pour la nitruration en grande série de petites pièces. La consommation d'ammoniac est généralement de 0,5 à 1,5 mètre cube par heure pour un petit four. Les gaz résiduaires à la sortie du four doivent être traités afin d'éliminer l'ammoniac n'ayant pas réagi avant leur rejet.
Surveillance et contrôle de l'atmosphère
L'atmosphère à l'intérieur d'un four à bande transporteuse doit être surveillée en continu. Les paramètres clés sont : une sonde à oxygène (pour la teneur en oxygène), un analyseur de point de rosée (pour la vapeur d'eau), un analyseur infrarouge (pour le CO et le CO₂) et des débitmètres (pour les débits d'alimentation en gaz). Les données sont enregistrées en continu et utilisées pour le contrôle du procédé et la documentation qualité.
Les systèmes modernes de contrôle des fours à bande transporteuse intègrent la surveillance de l'atmosphère au contrôle de la température. Si la composition chimique de l'atmosphère s'écarte des spécifications, le contrôleur peut ajuster le débit de gaz, modifier le point de consigne du potentiel carbone ou déclencher une alarme. Cette intégration réduit la charge de travail de l'opérateur et améliore la régularité du processus.
Critères de sélection
Pour les acheteurs qui spécifient le système d'atmosphère, les questions clés sont les suivantes : quel état de surface est requis, quelle est la nuance d'acier, quelle est la température du procédé et quelle est la quantité de gaz disponible ? Le système d'atmosphère est ensuite adapté à ces paramètres, en précisant le type de gaz, le débit, le système de contrôle et les systèmes de sécurité.
Contactez MONTE INTELLIGENCE au sujet des systèmes atmosphériques
Pour les acheteurs évaluant les systèmes d'atmosphère pour un four à bande transporteuse, le bureau d'études MONTE INTELLIGENCE peut recommander une configuration adaptée au procédé et aux exigences de finition de surface. Visitezwww.cnlymonte.com/products-mesh-belt-furnace.html Pour des études de cas. Pour une discussion de projet, veuillez envoyer un courriel à helenxu@cnlymonte.com avec pour objet « Atmosphère de bande transporteuse à mailles » et des détails sur votre procédé et la finition de surface souhaitée.
