traitements et matériaux article les fours à reacteurs ou moufle à enceinte métallique

Traitements & Matériaux 439 Mars-Avril 2016 | 27

Dossier : Fours & équipements

Les fours à réacteurs ou moufle à enceinte métalliqueChristian Lidin, Nicolas Sallez, Solo Swiss SA

Les fours de traitement thermique équipés de moufle présentent des avantages qu’aucune autre conception de four n’est capable d’apporter aux acteurs du traitement thermique.

Solo Swiss, en qualité de constructeur historique de réacteurs à enceinte métallique, constate tous les jours la diversité et la complexité des trai-tements thermiques réalisés dans

ce type de fours. La technologie, introduite dans les années 1970, a résisté à toutes les technologies concurrentes apparues depuis sur le marché. Présent dans le monde du trai-tement thermique depuis plus de 70 ans, Solo Swiss a contribué à la mise en place de cette technologie sur le marché et a continuelle-ment innové pour la développer. Aujourd’hui, une grande diversité de traitements est ren-due possible par l’utilisation de réacteurs à enceinte métallique, depuis la cémentation (accélérée ou pas) jusqu’à la carbonitruration en passant par le brasage, la nitruration, la trempe, le recuit, la surcarburation, le frittage, le flash azote ou encore l’oxydation. L’objectif de cet article est de revenir sur les principes de fonctionnement et les principaux avan-tages des réacteurs à enceinte métallique en s’appuyant sur l’exemple d’un four à cloche.

Différents types de réacteursUn réacteur métallique, dans le domaine du traitement thermique, désigne une enceinte en alliage réfractaire dans laquelle des réactions chimiques contrôlées sont mises en œuvre afin de modifier la structure et/ou la composition du matériau traité.D’un point de vue process, le but est d’obtenir la meilleure homogénéité possible du milieu réactionnel aussi bien en matière de tempéra-ture qu’en termes de composition du mélange

gazeux introduit à l’intérieur de l’enceinte.Il existe deux principales familles de fours uti-lisant des réacteurs à enceinte métallique :• les fours ouverts tels que les fours à bande ou à passage (figure 1),• les fours fermés comme les fours à pot ou les fours à cloche (figure 2).De nombreuses formes de réacteurs à enceinte

métallique existent. Dans tous les cas, l’alliage utilisé peut être optimisé pour une gamme de travail spécifique ou rester standard pour s’adapter à des changements de production fréquents.

Principe de fonctionnement des réacteurs à enceinte métalliqueDans le cas de réacteurs à enceinte métal-lique, les éléments chauffants sont placés à

FIGURE 1 : Exemple de four à bande continu avec trempe intégrée.

FIGURE 2 : Exemple de ligne de traitement thermique utilisant un four à cloche :

a) ligne de traitement (centrée sur la partie four) b) réacteur à enceinte métallique dans son format cloche.

A B

TM439-Doss-Solo.indd 27 30/03/2016 12:15TEMR0439_027_BA943037.pdf

28 | Traitements & Matériaux 439 Mars-Avril 2016


l’extérieur de l’enceinte : on parle alors de fours à chauffage indirect. Le réacteur métallique permet de modifier à souhait l’atmosphère de travail. Pour s’assurer de la propreté de l’en-ceinte, une simple purge est réalisée. Le taux de renouvellement du gaz est ensuite modu-lable, que le four soit sous atmosphère ther-mochimique ou sous atmosphère protectrice. L’enceinte permet à la fois de garantir une surface uniforme et de limiter les éléments présents dans l’atmosphère de traitement puisqu’il n’y a que le réacteur. Les risques de contamination des pièces sont donc limités par la diminution des sources d’impuretés.

Les fours à clocheLe four à cloche est l’exemple typique du réac-teur à enceinte métallique (figure 3). Le prin-cipe de fonctionnement de ce type de four est relativement simple mais requiert une extrême précision pendant l’utilisation.La charge à traiter est d’abord positionnée au centre de l’enceinte par l’intermédiaire d’un

bouchon qui assure l’étanchéité (totale ou partielle) du réacteur. Une fois la charge en place, une purge de sécurité peut être réali-sée selon les normes applicables. Ensuite, l’en-ceinte est portée à haute température sous gaz neutre (azote, argon...) ou directement sous atmosphère réactionnelle (méthanol, ammo-niaque craqué, hydrogène...) en fonction du type de traitement envisagé. Pour des raisons pratiques, il est également possible d’ame-ner directement du gaz endothermique dans le réacteur. Le couple température/mélange réactionnel souhaité est obtenu en régulant l’arrivée des différents gaz d’apport et l’acti-vation des corps de chauffe. Durant le même cycle, différents couples peuvent être obte-nus avec les temps de maintien désirés. Une fois le traitement réalisé, le bouchon s’ouvre pour libérer la charge vers l’étape suivante du process. Les pièces pouvant être enfour-nées à toute température, le réacteur est alors immédiatement disponible pour traiter une autre charge.

Un aspect essentiel du traitement est la maî-trise de la circulation des gaz injectés au tra-vers de la charge. En effet, un réacteur par-fait est un réacteur dans lequel il n’y a aucun volume mort ni court-circuit (le gaz traverse l’ensemble de l’enceinte et donc de la charge). À cet égard, le confinement partiel conféré par l’enceinte est un atout majeur qui per-met d’avoir un excellent contrôle du temps de séjour des gaz et ainsi optimiser les réactions avec les pièces à traiter. Ce temps de séjour dépend de la géométrie du four et de la forme de la charge, il peut être régulé au moyen du débit de gaz ainsi que de la position et de la capacité de brassage de la turbine.

Les fours à passageUn four à passage est un four dans lequel les pièces à traiter traversent en continu l’en-ceinte du four. Tout le savoir-faire consiste à maîtriser l’atmosphère à l’intérieur du réac-teur en évitant la contamination par les entrées d’air aux extrémités du canal. Ceci est réalisé avec différentes méthodes, selon qu’il s’agisse d’un four ouvert (figure 4) ou d’un four avec trempe intégrée (figures 1 et 5). Dans les deux cas, le réacteur métallique facilite beaucoup cette maîtrise de l’atmosphère réactionnelle et permet à toutes les pièces de passer par un cycle thermique identique.Deux types de fours à passage peuvent être identifiés : les fours ouverts et les fours avec trempe intégrée.Dans le cas d’un four ouvert, le réacteur métal-lique permet de moduler facilement les carac-téristiques du four, en fonction, notamment, de la qualité de surface attendue sur les pièces. Par exemple, plus l’aspect visuel des pièces est

FIGURE 3 : Exemple de réacteur à enceinte métallique - le four à cloche.

FIGURE 4 : Four à passage continu ouvert, a) four complet avec brûleur à l’entrée et à la sortie b) réacteur à enceinte métallique sous forme de canal.

A B



Fours à réacteurs

important, plus l’atmosphère doit être réduc-trice pour éviter l’oxydation. On utilisera alors un mélange réactionnel riche en hydrogène, ou, dans un souci de réduction des coûts, de l’am-moniac craqué. Par cette technique les pièces en sortie du canal sont d’une qualité visuelle équivalente à celle obtenue avec la technologie du four à vide. Si cet aspect n’est pas primor-dial, l’azote peut être utilisé. Les canaux sup-plémentaires en amont et en aval du réacteur permettent de contrôler respectivement un pré-chauffage et un refroidissement lent et continu des charges. Avec tous les canaux mis bout à bout, les fours à passage peuvent atteindre des longueurs de plusieurs dizaines de mètres.Lors de traitements sous atmosphère hydro-gène, il est possible de mettre en place des cheminées d’entrée et de sortie pour brûler l’hydrogène plutôt que d’effectuer cette opé-ration à l’entrée du canal et de risquer d’alté-rer la surface des pièces lors de leur passage au travers la flamme (figure 4a). Ce type de four est principalement utilisé pour le brasage, l’hypertrempe et les recuits et permet de tra-vailler à des températures atteignant 1 150 °C.Dans le cas des fours à passage avec trempe inté-grée (figures 1 et 5) les pièces passent directe-ment du réacteur au bac de trempe. Cette tech-nique permet, d’avoir des temps de transfert (trajet depuis l’enceinte de traitement jusqu’au lieu de trempe) très courts et surtout, les pièces sont maintenues sous atmosphère protectrice contrôlée pendant tout le traitement jusqu’à leur immersion dans le bac de trempe. Les prin-cipaux traitements possibles sont la cémenta-tion, la carbonitruration et la trempe. Là encore, le réacteur métallique permet une grande maî-trise de l’atmosphère réactionnelle qui est direc-tement alimentée en gaz de traitement (métha-nol, azote, ammoniaque, propane, air). De plus, plusieurs types de trempe sont possibles (eau, huile, sel, polymère). Différents moyens d’extrac-tion des pièces du bac de trempe sont ensuite disponibles pour les récupérer. En trempe sel, il est possible d’intégrer un carrousel dans le bac de traitement afin d’allonger les temps de maintien dans le cas de la trempe bainitique.

Etude de cas : l’exemple du four à clocheL’enceinte du four à cloche est chauffée élec-triquement par une série de corps de chauffe positionnés de haut en bas et de manière concentrique vis-à-vis de l’enceinte afin d’ob-tenir un chauffage homogène de celle-ci. Cette conception, ainsi que la régulation en cascade

des corps de chauffe par zones, permet à l’en-ceinte métallique d’atteindre une précision de +/- 2 °C dans l’ensemble du réacteur.En cémentation comme en carbonitruration, le transfert de carbone entre la phase gazeuse et la phase solide dépend des réactions chimiques dans la phase gazeuse et à l’interface solide/gaz (figure 6). Le transfert du carbone dans les pièces se fait en plusieurs étapes :• transport dans la phase gazeuse des diffé-rentes molécules de gaz,• réaction chimique à la surface des pièces,• diffusion du carbone ou de l’azote dans la phase solide (pièces à traiter).Si une multitude de réactions peuvent avoir lieu dans le réacteur, il est possible de contrô-ler l’atmosphère en se basant uniquement sur les plus importantes (figure 6).Dans le cas d’une cémentation sur un four à cloche, une régulation parfaite de la tem-pérature et du potentiel carbone permet de suivre l’évolution de la concentration en car-bone à la surface de la pièce tout au long du cycle de traitement.

Le réacteur à enceinte métallique permet d’in-jecter directement du méthanol (CH3OH) comme gaz porteur de la cémentation. Les concentra-tions en H2 et en CO atteignables sont alors très élevées ; jusqu’à 33,33 % at et 66,66 % at res-pectivement. D’un point de vue procédé, cela présente un réel intérêt puisque disposer de ces concentrations élevées permet non seule-ment à l’hydrogène de désorber efficacement l’oxygène provenant du CO adsorbé tout en bénéficiant tout en bénéficiant du fort pou-voir carburant du CO. Ainsi, le méthanol cra-qué permet par exemple d’obtenir un coeffi-cient de transfert de 2.75.10-4 mm.s-1 à 900 °C tout en préservant les pièces du risque d’oxy-dation. Sur les fours SOLO Swiss, la vitesse de déposition du carbone sur des pièces de cémen-tation a été mesurée à 1.5 g.m.-2s-1 (figure 7b). Ceci permet aux fours Solo Swiss de proposer des temps de traitement plus courts que pour les fours nécessitant des générateurs de gaz pour lesquels les concentrations atteignables en CO sont de l’ordre de 20% at. Dans cer-taines applications, il est également possible

FIGURE 5 : Schéma d’un four à passage avec trempe intégrée.

FIGURE 6 : Schéma du transport de carbone pendant la cémentation. Avec, J : flux de carbone, β : coefficient de transfert

massique, Cp : potentiel carbone (concentration de carbone dans l’atmosphère de cémentation), Cs : concentration de carbone

à la surface de la pièce à cémenter, C0 : concentration de carbone au cœur de la pièce à cémenter.


30 | Traitements & Matériaux 439 Mars-Avril 2016


de diluer l’atmosphère gazeuse avec de l’azote pour abaisser la teneur en CO et mieux maîtri-ser l’oxydation intergranulaire et la production de suie aux basses températures.Comme le montre la figure 7a, l’atmosphère de traitement dans les réacteurs est très bonne et se rapproche du comportement d’un réac-teur parfait. La régulation de l’atmosphère se fait par l’intermédiaire d’une sonde à oxygène d’une précision de +/- 0,05 %, mais un analy-seur infrarouge CO/CO2 peut également être ajouté. L’homogénéité et la bonne circulation de l’atmosphère gazeuse au travers des pièces en cours de traitement sont assurées par une turbine brassant les gaz dans l’enceinte.

Souplesse de fonctionnementEn moins d’une heure, un four à cloche, en par-tant à froid, peut être opérationnel et fonction-ner sous n’importe quelle atmosphère de traite-ment et ce, quels que soient les cycles réalisés précédemment. Cette flexibilité est l’un des principaux avantages des réacteurs à enceinte métallique par rapport aux autres types d’en-ceintes qui doivent parfois être purgées plusieurs heures avant de pouvoir effectuer le change-ment de traitement voulu. Elle permet aux uti-lisateurs de moduler leur process de fabrication très facilement. La conception simple et robuste du four le rend peu sujet aux défaillances liées à des équipements annexes lourds (pompes à vide, générateurs de gaz...) et facile d’utilisation.À cela s’ajoute la large variété de traitements thermiques possibles et le choix multiple des gaz injectés. La ligne de traitement thermique elle même est largement modulable au fur et à mesure de l’évolution des besoins de produc-tion (ajout d’un second four à cloche sur la ligne, d’un bac de trempe, d’un four de revenu...).Enfin, la grande maîtrise des paramètres phy-siques à l’intérieur du réacteur garantie, sans dif-ficultés, le respect des normes techniques com-plexes (CQI9, AMS2750E, Atex...) : sur le plan de la sécurité par un contrôle de l’inflammation des gaz et de leurs débits d’entrée et sortie et sur le plan de la qualité par une régulation thermique efficace et des écarts de température minimes en tous points de l’enceinte métallique.

Une technologie sobreL’enceinte métallique limite la quantité de gaz nécessaire au traitement et optimise son utili-sation en réduisant le volume de l’atmosphère réactionnelle, entrainant ainsi un besoin réduit en débit de gaz et des rejets faibles voire inexistants.Afin de quantifier la consommation dans ce

FIGURE 7 : Mesures de l’efficacité du mélange réactionnel dans un four à cloche Solo : a) Taux de carbone en surface

des pièces pour différentes vitesse de dépositions b) Variation de la distribution des temps de séjours des gaz en fonction

de la vitesse de rotation de la turbine.

FIGURE 8 : Exemple de ligne de traitement thermique Profitherm basée sur un réacteur à enceinte métallique :

a) machine à laver b) four de recuit c) fours à cloche - réacteur d) bac de trempe.

A

B

A

B C

D

C



Fours à réacteurs

type d’enceinte, nous vous proposons d’en faire l’étude complète en prenant deux exemples de traitements classique : un cycle de cémenta-tion et un cycle de carbonitruration (figure 9).Le cycle de cémentation utilisé concerne une charge de 300 kg d’acier 16MC5 pour une cémen-tation sur une profondeur de 1 mm pour une durée totale de 7,5 h. Le cycle de carbonitrura-tion utilisé dans l’exemple a été réalisé avec une charge de 300 kg d’acier 17C3 pendant 1,75 h pour une profondeur de pénétration de 0,2 mm.Le coût total en consommables pour le long cycle de cémentation est donc de 42,74 € soit 0,1425 €.kg-1.Pour le cycle de carbonitruration court, ce coût est de 17,22 € soit 0,0574 €.kg-1. De conception simple, les enceintes métalliques permettent donc de limiter les coûts de traitement et d’ob-tenir des rejets quasiment inexistants. C’est pour cette raison que cette technologie est utilisée dans une grande variété de domaines industriels.

Exemples d’applications industriellesLes enceintes métalliques sont utilisées pour le traitement d’un large panel de pièces, aussi bien en termes de matière que de géométrie (figure 10), dans de nombreux secteurs : l’au-tomobile, l’aérospatial, la coutellerie, la joaille-rie, l’horlogerie, les machines – outils, le médi-cal, la monnaie, l’électronique, ne constituent qu’une liste non exhaustive de ces activités. Les traiteurs à façon utilisent également beau-coup ces types de fours pour leur flexibilité.Les fours à passage permettent, quand à eux, d’avoir une production en continu avec des volumes importants et des géométries de pièces également très différentes (figure 11).

ConclusionL’utilisation d’un réacteur à enceinte métal-lique permet de maîtriser au mieux les para-mètres déterminants d’un traitement ther-mique sous atmosphère contrôlée. Cela garanti en effet la maîtrise de l’homogénéité en tem-pérature et la qualité de l’atmosphère sur l’en-semble de la charge grâce à un bon contrôle des réactions de dissociation et des bilans matières. Les réacteurs à enceinte métalliques permettent d’économiser les volumes de gaz pour créer efficacement une atmosphère de travail optimisée. La chambre du four est à la fois enceinte et réacteur et permet de propo-ser des solutions optimisées et modulables en termes de productivité, de qualité mais aussi d’efficacité économique et écologique.

FIGURE 9 : Cycles de traitements utilisés pour les calculs de consommation : a) cémentation, b) carbonitruration.

FIGURE 10 : Exemples de charges traitées dans un four à cloche Solo.

FIGURE 11 : Exemples de pièces traitées dans un four à bande continu Solo.

A B

Consommable Coût unitaire (1)

Cycle de cémentation Cycle de carbonitruration

Quantité utilisée

Coût par cycle (en €)

Quantité utilisée

Coût par cycle (en €)

Méthanol 3.25 €.l-1 7.5 l 24.35 2 l.h-1 6.5

Ammoniac 3.5.10-3 €.l-1 / / 84 l 0.294

Propane 6.8.10-3 €.l-1 150 l 1.02 30 l 0.4

Azote de dilution 1.10-3 €.l-1 4 000 l 4.4 / /

Electricité 0.12 €.kWh-1 90 kWh 10.8 81 kWh 9.72

Eau 3.1 €.m-3 0.70 m3 2.17 0.10 m3 0.31

TABLEAU 1 : Étude du coût en consommable de cycles de cémentation et de carbonitruration (1) prix moyens constatés en 2015,

électricité : coût moyen en Europe (source – Eurostat 2015).


traitements et matériaux article les fours à reacteurs ou moufle à enceinte métallique

Technology