SOLO Swiss Article in the French magazine « Traitements & Matériaux » March-April 2016

1. Traitements & Matériaux 439 Mars-Avril 2016 | 27
Dossier : Fours & équipements
Les fours à réacteurs
ou moufle à enceinte métallique
Christian 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.
S
oloSwiss,enqualitédeconstructeur
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 réacteurs
Un 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
métallique
Dans 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

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Dossier : Fours & équipements
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 cloche
Le 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 passage
Un 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

3. Traitements & Matériaux 439 Mars-Avril 2016 | 29
Fours à réacteurs
important, plus l’atmosphère doit être réduc-
trice pour éviter l’oxydation. On utilisera alors
unmélangeréactionnelricheenhydrogène,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
permettentdecontrôlerrespectivementunpré-
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.
Danslecasdesfoursàpassageavectrempeinté-
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
lieudetrempe)trèscourtsetsurtout,lespièces
sont maintenues sous atmosphère protectrice
contrôlée pendant tout le traitement jusqu’à
leurimmersiondanslebacdetrempe.Lesprin-
cipaux traitements possibles sont la cémenta-
tion,lacarbonitrurationetlatrempe.Làencore,
le réacteur métallique permet une grande maî-
trisedel’atmosphèreréactionnellequiestdirec-
tementalimentéeengazdetraitement(métha-
nol,azote,ammoniaque,propane,air). Deplus,
plusieurs types de trempe sont possibles (eau,
huile,sel,polymère).Différentsmoyensd’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 cloche
L’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-
jecterdirectementduméthanol(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
dépositionducarbonesurdespiècesdecémen-
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.

4. 30 | Traitements & Matériaux 439 Mars-Avril 2016
Dossier : Fours & équipements
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 fonctionnement
En moins d’une heure, un four à cloche, en par-
tant à froid, peut être opérationnel et fonction-
nersousn’importequelleatmosphèredetraite-
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-
ceintesquidoiventparfoisêtrepurgéesplusieurs
heures avant de pouvoir effectuer le change-
ment de traitement voulu. Elle permet aux uti-
lisateursdemodulerleurprocessdefabrication
trèsfacilement.Laconceptionsimpleetrobuste
du four le rend peu sujet aux défaillances liées
à des équipements annexes lourds (pompes à
vide,générateursdegaz...)etfaciled’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(ajoutd’unsecondfouràclochesurlaligne,
d’un bac de trempe, d’un four de revenu...).
Enfin, la grande maîtrise des paramètres phy-
siquesàl’intérieurduréacteurgarantie,sansdif-
ficultés,lerespectdesnormestechniquescom-
plexes (CQI9, AMS2750E, Atex...) : sur le plan de
lasécuritéparuncontrôledel’inflammationdes
gaz et de leurs débits d’entrée et sortie et sur le
plandelaqualitéparunerégulationthermique
efficace et des écarts de température minimes
en tous points de l’enceinte métallique.
Une technologie sobre
L’enceinte métallique limite la quantité de gaz
nécessaire au traitement et optimise son utili-
sation en réduisant le volume de l’atmosphère
réactionnelle,entrainantainsiunbesoinréduiten
débitdegazetdesrejetsfaiblesvoireinexistants.
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

5. Traitements & Matériaux 439 Mars-Avril 2016 | 31
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
chargede300kgd’acier16MC5pourunecémen-
tation sur une profondeur de 1 mm pour une
durée totale de 7,5 h. Le cycle de carbonitrura-
tionutilisédansl’exempleaétéréaliséavecune
charge de 300 kg d’acier 17C3 pendant 1,75 h
pouruneprofondeurdepénétrationde0,2 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-
tenirdesrejetsquasimentinexistants.C’estpour
cette raison que cette technologie est utilisée
dansunegrandevariétédedomainesindustriels.
Exemples d’applications
industrielles
Les 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).
Conclusion
L’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).