Systèmes de commande pour les processus de traitement thermique

Des approches très variées sont nécessaires pour concevoir les systèmes de commande car le traitement thermique peut être réalisé dans un large éventail de types de fours ou de fourneaux, fonctionnant en mode discontinu ou continu.

Contrôle du séquenciel du four

Que les fours soient conçus pour fonctionner en mode discontinu ou continu, le système de commande doit souvent assurer un élément de contrôle séquentiel. Il s'agit très souvent d'une considération secondaire pour le contrôle des paramètres du procédé. Pour des raisons pratiques, le séquenciel peut souvent être intégré dans le régulateur de processus lui-même.

Types de facteurs liés aux fours qui influenceront les exigences de contrôle de séquence :

• Transfert de la pièce de fabrication

• Actionnement de la porte du four

• Mouvement de la sole ou de la hotte du four

• Mécanismes de transfert du four

• Transfert vers la trempe

• Contrôle de la trempe au gaz/ventilé

• Actionnement de la porte du blindage thermique

• Contrôle de l'eau de refroidissement

Contrôle de la température et profilage thermique

Un contrôle précis et reproductible de la température est essentiel pour la plupart des procédés de traitement thermique. Il est important de prendre des mesures spéciales pour contrôler le procédé en fonction des exigences métallurgiques du composant. Ceci nécessite un contrôle précis aussi bien pour les points de consigne programmés que pour le contrôle de la température de l'état stationnaire sur une plage étendue de consignes de température et de charges de four.

Afin d'assurer des performances reproductibles et constantes pour des utilisations de four variées, Eurotherm intègre dans ses solutions de contrôle des procédures spéciales pour la programmation des gains, l'inhibition des dépassements et les transitions rampe/palier. Des structures de contrôle doivent également être intégrées pour garantir que le contrôle de la température respecte les exigences métallurgiques de la pièce de fabrication et, au besoin, la conception du système de commande doit aussi prévoir des thermocouples de pièce séparés.

Tests et audits du four

La plupart des équipements de traitement thermique sont audités pour s'assurer que les pièces sont traitées conformément à la spécification applicable.

Pour optimiser les charges et l'utilisation des équipements, les températures d'une zone de travail définie doivent se trouver dans une tolérance donnée et des études d'uniformité des températures (TUS) sont souvent effectuées pour déterminer le niveau de conformité.

Les fours sont groupés en différentes classes en fonction du degré de tolérance (TUS) et des traitements des charges seront définis pour être réalisés dans les fours d'une classe accréditée donnée.

Les fours de traitement thermique sont également contrôlés par tout un éventail de Tests de précision des systèmes (SAT), qui définissent le type et les exigences de précision pour l'instrumentation et les capteurs de contrôle.

Il est important de prendre en compte les besoins de conformité SAT et TUS requises pour concevoir les systèmes de commande afin de répondre aux exigences de traitement et de classe de four de l'utilisateur.

Dans de nombreux procédés présentant un un temps de transfert thermique important entre la charge et la source d'émission des calories, (comme un four à cloche ou dans les régions de basse température des fours à vide), il peut être nécessaire de contrôler le four à partir de capteurs de "pièce de fabrication".

Pour concevoir le système de commande de ces applications, il est nécessaire d'avoir des stratégies de contrôle en cascade ou de forçage et de pouvoir implémenter des procédures efficaces pour garantir les durées de trempe et la garantie des temps de paliers.

L'exigence de profil thermique est définie par le procédé métallurgique. Elle est très souvent déterminée par l'utilisation de systèmes de recettes "contrôlées". Il est important de disposer d'une méthode simple et sûre permettant aux utilisateurs et aux opérateurs de configurer et d'exécuter des recettes reproductibles, sans craindre de modifications non autorisées.

Contrôle des gaz de l'atmosphère

Comme de nombreux traitements thermiques et procédés chimiques de traitement superficiel reposent sur une exécution sous atmosphère, il est important d'en tenir compte dans le système de commande. Ceci peut se résumer à l'inclusion d'événements minutés ou contrôlés par la température au cours du profil quand des gaz comme l'azote, l'argon et l'hydrogène sont requis. Normalement, le système de commande ne permet pas d'asservissement en boucle fermée de l'atmosphère pour ces types de procédé, et offre généralement seulement la possibilité de définir des débits de gaz fixes à des points définis du cycle grâce à de simples dispositifs de régulation de débit massique de type Marche/Arrêt ou des dispositifs plus complexes et autonomes.

Avec les progrès des nouveaux analyseurs bon marché et le développement des sondes zirconium, la plupart des utilisateurs se servent d'équipements d'analyse pour s'assurer que leurs procédés maintiennent les niveaux souhaités de réduction de l'oxydation.

De nombreux gaz étant volatiles, il est nécessaire de prendre des précautions spéciales lors de la conception du système de commande pour s'assurer que la séquence et la sécurité des gaz sont maintenues.

Pour de nombreux traitements superficiels, il est également nécessaire de contrôler le flux du gaz d'enrichissement ou de l'air de dilution dans le four par rapport à un point de consigne défini pour une période donnée. Les gaz d'enrichissement sont utilisés pour fournir la nature des atmosphères de procédés tels que la cémentation et la nitruration. Dans ce cas, une régulation par réaction est utilisée et des algorithmes spéciaux sont nécessaires pour convertir la sortie des sondes zirconium en fonctions spécifiques aux applications.

Le contrôle de l'atmosphère dans ces applications permet d'obtenir une dureté de surface et une finition spécifiques en diffusant des particules gazeuses dans la surface du composant. Des algorithmes variés ont été utilisés pour déterminer le taux de diffusion au lieu d'appliquer des profils de durée/température/atmosphère fixes. La plupart des nouveaux matériels équipementiers exploitent ces calculs de diffusion, alors que la majorité du parc installé repose sur un simple profilage du potentiel carbone. Par exemple : une analyse infrarouge à 3 gaz pour aider les procédés de cémentation permet d'apporter un niveau élevé de confiance supplémentaire au contrôle conventionnel du potentiel carbone.

Contrôle de l'atmosphère sous vide

Les fours à vide sont souvent utilisés dans les procédés industriels de traitement thermique, en particulier dans les industries aérospatiales et automobiles. Pratiquement tous les cycles de traitement thermique traditionnels peuvent être réalisés dans le vide, par ex. : homogénéisation, recuit de détente, normalisation, durcissement, revenu et recuit. Les fours à vide sont également utilisés pour le brasage et le dégazage de matériaux et sont de plus en plus courants pour la cémentation à basse pression.

Les chambres fonctionnent généralement dans une plage atmosphérique qui va de l'air ambiant à 10^-9 millibars. Les systèmes de commande doivent accommoder l'interface entre des jauges sous vide complexes et la séquence du processus, en tenant particulièrement compte des points suivants :

● Démarrage de la pompe et séquençage du pompage
● Efficacité du pompage à vide et taux de fuite de la chambre
● Contrôle de la pression partielle et contrôle de remplissage
● Dégazage à vide et verrouillages des éléments chauffants

Systèmes de trempe

L'un des aspects les plus importants du traitement thermique est le processus de trempe. De nombreux changements de structure de phase observés pendant le traitement des alliages se produisent pendant la trempe.
Quand un composant a été maintenu pendant un certain temps à la température requise pour obtenir la structure cristalline souhaitée, il doit être trempé à l'air, l'huile, l'eau ou dans un polymère spécial. Les systèmes de commande doivent accommoder la transition rapide du contrôle de la température à la trempe, car la vitesse de changement de la température pendant le refroidissement a une grande incidence sur la structure microgranulaire du composant.

Par exemple :
Un composant composé d'acier à 0,6 % de carbone, qui a été traité thermiquement au-dessus de sa température critique supérieure pour obtenir une structure microgranulaire composée d'austénite, se transformera en un matériau adapté au façonnage quand l'air aura été refroidi lors d'un procédé de recuit (perlite avec ferrite). Après une rapide trempe à l'huile, le même composant durcira par une transformation différente de la micro-structure en martensite, et il pourra subir un traitement supplémentaire avec le procédé de revenu pour éliminer, dans la mesure du possible, la fragilité du composant. Les variations possibles dans le processus de trempe permettent d'obtenir des propriétés de matériau différentes.

Réglementations industrielles

La plupart du secteur du traitement thermique est réglementé par des spécifications prescriptives ou par les demandes des procédures qualité industrielles. Les fournisseurs de traitement doivent montrer que les procédés qu'ils ont adoptés peuvent résister à un examen minutieux dans certains types d'environnements audités. Les environnements audités sont généralement spécifiques à l'industrie avec des variations sectorielles.

L'industrie automobile a largement adopté les recommandations du CQI-9 (publié par l'Automotive Industry Action Group) qui renvoie à l'AMS2750D pour la pyrométrie du traitement thermique de la SAE. Sinon, elle s'appuie sur les systèmes qualité du TS16949, où la spécification repose sur des procédures qualité de l'entreprise et des manuels qualité individuels, qui montrent comment la conformité des procédés est obtenue et maintenue. L'industrie aérospatiale a largement adopté les méthodes plus prescriptives d'accréditation qui sont couvertes dans la spécification globale Nadcap avec les sections AS7102 et l'AMS2750D associé, qui s'appliquent spécifiquement au traitement thermique.

Gestion des données

Pour se conformer aux réglementations industrielles, les fournisseurs de traitement thermique doivent enregistrer et conserver les informations relatives aux procédés. Le système de commande comprend généralement un équipement d'enregistrement, qui permet de simplement afficher, archiver, enregistrer et restaurer les données. Des règles spécifiques sont établies dans les spécifications prescriptives ou dans les manuels qualité pour donner des informations sur la procédure de gestion des données. De plus, les enregistrements doivent être maintenus pour conserver les accréditations des installations, avec des données détaillées sur la calibration des instruments, des informations sur les capteurs du procédé et des rapports d'étude d'uniformité des températures (TUS). Les évolutions récentes vers la gestion des données numériques ont permis à Eurotherm de mettre au point des solutions englobant tous ces besoins de gestion des données dans une suite de produits complémentaires répondant aux besoins des procédés et des analyses.