Rendons hommage à la perspicacité de cette personne qui, en présence d'un document d'une dizaine de feuilles agrafées et très médiocrement ronéotypées, aurait pu jeter au panier une vieillerie oubliée et de peu d'intérêt. Au contraire, après un coup d'oeil sur la date et le titre, elle m'a immédiatement averti par téléphone.
Le document étant difficilement photocopiable en l'état, j'ai intégralement saisi son texte dans la copie que vous pourrez lire ci-dessous, immédiatement communiquée à la Société d'Histoire de Firminy et environs et installée sur le site du "réseau patrimoine".
A cette copie de l'original, il manque néanmoins les plans cotés dont la photocopie ne serait pas satisfaisante car leur reproduction en 1935 avait été assez défectueuse ; d'autre part, leur format dépassant le standard 21x29,7, imposerait une réduction qui aggraverait les difficultés de lecture. A défaut, je joins la reproduction d'un document établi en 2004 par les services d'urbanisme d'EPURES pour une plaquette de présentation de la tour de trempe à l'occasion d'une visite
PAGE DE COUVERTURE
S
té Ame des ACIERIES et FORGES de FIRMINY
________________________________________
NOUVEAU FOUR ELECTRIQUE VERTICAL
DE 30 METRES
pour
TRAITEMENT THERMIQUE
des
GROSSES PIECES EN ACIERS SPECIAUX
----------------------------------------------
1935
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TEXTE
SOCIETE ANONYME DES ACIERIES ET FORGES DE FRIMINY
AU CAPITAL DE VINGT ET UN MILLIONS
R.C . PARIS 255.530 B
USINES DE FIRMINY (Loire)
Nouvelle installation de trempe verticale pour arbres et pièces diverses de grande longueur (jusqu'à 30 mètres)
CHAPITRE I - CONCEPTION GENERALE
Le traitement thermique des grosses pièces de forge, dans la fabrication desquelles les Usines de FIRMINY sont spécialisées depuis plus de cinquante ans, est devenu peu à peu, avec l'emploi des aciers spéciaux qui s'est généralisé en même temps que les dimensions des dites pièces ne cessaient de croître, l'une des opérations les plus importantes et les plus délicates de la dite fabrication.
Les procédés de traitement thermique qui ont été employés de façon générale jusqu'ici pour les pièces forgées de grosses dimensions, sont devenus insuffisants à tous points de vue.
Le four de trempe verticale à gazogènes accolés construit en 1901 aux Usines de Firminy, et cependant modernisé à diverses reprises depuis cette époque, tout en ayant donné jusqu'ici des résultats équivalents à ceux généralement obtenus en fabrications similaires, n'a pu suffire aux exigences qui ont vu le jour ces dernières années.
Son remplacement par une installation entièrement nouvelle et susceptible de donner les garanties les plus complètes pour le traitement des pièces de forge les plus grosses actuellement envisagées a été décidé en août 1934.
Le programme alors adopté a été le suivant :
La nouvelle installation devra pouvoir assurer le traitement en position verticale des plus gros arbres de Marine, ou de machines terrestres (en particulier Rotors de Turbines à vapeur, de turbo-alternateurs, etc...), des collecteurs de chaudières à haute pression, des bouteilles ou capacités pour fluides comprimés à haute pression (et éventuellement à hautes températures de service) et de toutes pièces de grosses dimensions et de grande longueur par rapport à leur section transversale.
La position verticale des pièces longues pendant leur traitement thermique s'impose, pour réduire au strict minimum les déformations et, moyennant l'emploi de cycles thermiques appropriés, les tensions internes subsistant dans les pièces finies.
La trempe de ces pièces devra pouvoir être faite à toutes températures comprises entre 750 et 1000°, et être pratiquée soit à l'air, calme ou soufflé, soit au liquide : eau, huile, etc...
Le revenu en devra pouvoir être pratiqué à toutes températures entre 200 et 700°.
Les cycles de montée en température, maintien et descente, devront pouvoir être aussi lents et aussi rapides que désirable, et être cependant, dans tous les cas, suivis avec une précision rigoureuse.
La régularité de la température en tous points de la pièce devra être parfaite.
L'atmosphère du four devra pouvoir être maintenue neutre pour éviter absolument la recarburation, la décarburation et même la calamine superficielle.
L'étude aussitôt entreprise dans ces conditions a montré que le seul type de four susceptible de réaliser complètement un tel programme est le four électrique à résistances.
Les Usines de FIRMINY avaient d'ailleurs adopté ce type de four pour le traitement des petites pièces, et en particulier les éprouvettes d'essais, depuis plus de trente ans, et avaient commencé à l'employer pour des pièces de plus en plus grosses depuis une dizaine d'années ; la dernière et la plus importante réalisation faite avant la nouvelle installation en cause étant celle d'un four vertical pour pièces de 10 m de longueur jusqu'à 1 m de diamètre, d'une puissance équipée de 800 KW.
En se basant sur ces réalisations diverses d'importance progressivement croissante, il semblait de prime abord possible, sans trop de risques, de tracer, puis de réaliser un four de dimensions suffisantes pour le programme des plus grosses pièces à tremper verticalement.
Les dimensions finalement adoptées ont été celles ci-dessous :
diamètre maximum : 1m60
Longueur maximum uitile de la pièce finie 30 m soit 31 m à traiter avec les surlongueurs d'essais
Poids maximum à traiter : 70 tonnes.
Le four a été prévu complètement enterré, pour permettre de le loger dans une enveloppe entièrement circulaire, forme qui assure les plus grandes facilités pour une parfaite calorifugation, et la plus grande indéformabilité à l'usage.
Cette disposition oblige toutefois à construire le four entièrement en dessous du sol, dans un puits de la profondeur voulue, et elle impose un appareil de levage à grande vitesse, pour permettre une sortie suffisamment rapide de la pièce au moment de la trempe.
La suppression de la porte latérale régnant sur toute la hauteur du four, qui existait dans les anciennes installations à gazogènes, compense et au-delà, les obligations précédentes
Tout naturellement, le four étant placé dans un puits, on a prévu la trempe au liquide dans un deuxième puits situé aussi près que possible du premier. Les 2 puits ont dû être prévus entièrement étanches pour éviter toute infiltration tant du côté du four que dans le puits de trempe qui est destiné au double usage ci-dessous :
a) trempe au liquide : à l'eau directement, avec possibilité d'injection sous pression dans l'alésage des pièces creuses ; à l'huile par adjonction d'une bâche cylindrique immergée dans l'axe du puits.
b) frettage à chaud : les opérations de frettage à chaud en position verticale qui sont assez fréquentes (en particulier la pose des chemises en bronze sur les arbres porte hélices) seront exécutées également dans le puits de trempe, dont l'eau peut être vidée par une pompe spéciale.
Le poids total maximum des pièces à manipuler après frettage à chaud a été fixé à 150 tonnes, ce qui achève de définir les caractéristiques du treuil de levage.
Les chapitres suivants précisent comment ont été réalisées, pour répondre au programme ci-dessus, les 4 parties principales qui constituent cette installation : puits, four et son appareillage, charpente, treuil.
CHAPITRE 2 - PUITS POUR FOUR ET PUITS DE TREMPE.
Ces puits ont chacun un diamètre intérieur maximum de 5,50 m, une profondeur de 35 m, et sont espacés de 6 m 200 de centre en centre.
Par suite de ce faible écartement le fonçage des 2 puits a été fait en un seul trou et entièrement dans le rocher, sauf pour les quelques premiers mètres en terrain rapporté.
L'étanchéité des puits a été obtenue par une chemise en tôle d'acier semi-inoxydable au cuivre molybdène, d'une épaisseur de 3 mm 5. A l'intérieur de cette chemise on a coulé du béton de ciment et gravier (dosage 350 k dans les parties basses et 300 k ensuite) sur une épaisseur de 250 mm ; entre la chemise et le rocher on a coulé du béton maigre de ciment sur une épaisseur de 350 mm.
Un sommier en béton armé a été établi sur ce fond pour lui permettre de résister à une poussée totale de 1000 tonnes environ susceptible de se produire sous l'effet des eaux du sous-sol.
Chaque virole cylindrique de la chemise a été soudée à côté des puits, au jour, et descendue ensuite à l'aide d'un treuil de façon à n'avoir à souder dans les puits que les joints circulaires de raccord.
L'exécution des 2300 m3 de fouilles en grande partie dans le rocher compact a nécessité 260 k de dynamite ; les burins pneumatiques et les pompes d'épuisement ont absorbé une puissance totale de 360 000 KWh.
Pour l'étanchéité des puits on a employé 900 m3 de béton de ciment et gravier et 37 tonnes de tôle d'acier semi-oxydable.
Puits de trempe et de frettage
L'eau de ce puits peut être vidée rapidement par une pompe spéciale. Deux planchers amovibles pouvant recevoir une charge de 150 T viennent se placer sur les recoupes du puits.
Un plancher de travail mobile dessert la partie supérieure du puits sur une hauteur de 20 mètres environ. Ce plancher peut recevoir une surcharge de 800 K, il est suspendu par 4 câbles s'enroulant sur les tambours d'un treuil électrique situé dans une fosse recouverte d'un dallage, les attaches des câbles ont été prévues pour un enlèvement et un remontage rapides du plancher entre les opérations de frettage et de trempe.
Pour la trempe des pièces creuses il a été installé un appareil pour l'injection d'eau sous pression dans l'alésage ; cet appareil peut occuper une position quelconque dans l'axe du puits selon la longueur des pièces à traiter.
Afin de protéger le fond du puits contre la chute éventuelle d'une pièce, on a prévu un matelas de bois de forte épaisseur.
Le fonçage et les maçonneries des puits ont été exécutés par l'entreprise DRAMAIS de Saint-Etienne ; le façonnage et la soudure des chemises en tôle ont été faits par la Soudure Autogène Française.
CHAPITRE III - FOUR ELECTRIQUE, SON APPAREILLAGE, SA PYROMETRIE.
Construction du four.
Le four est situé au centre du puits de 5m500 de diamètre, il a une hauteur de 35 mètres, la partie supérieure affleurant sensiblement le sol de l'atelier ; son diamètre extérieur est de 3m100 sauf à la partie supérieure où il a été porté à 3m800 pour loger l'étrier de suspension. Le diamètre utile est de 1m750 et la hauteur utile de 32 m.
Les maçonneries sont logées à l'intérieur d'une enveloppe en tôle de 8 à 10 mm d'épaaisseur en trois tronçons avec joints de dilatation ; la partie inférieure de l'enveloppe est étanche à l'eau.
Les pièces à chauffer sont suspendues dans le four par un fort étrier en acier, qui repose sur un sommier en acier moulé couronnant la partie supérieure utile de four.
Le four est divisé en 14 zones de chauffage séparées par un couronnement en briques réfractaires, supporté en partie par des piles en brique qui servent également à protéger les éléments chauffants contre les chocs éventuels pendant les manoeuvres d'entrée et de sortie des pièces. Un plafond mobile étanche vient limiter le nombre de zones à chauffer suivant les longueurs des pièces à traiter.
Dans chaque zone il a été prévu :
- un regard avec glace en quartz permettant de voir à l'intérieur du four
- deux cannes pyrométriques chromel-alumel (1), une pour le régulateur automatique de température, l'autre pour l'enregistreur.
Ces appareils, ainsi que les sorties des éléments chauffants avec leurs connexions et amenées de courant, sont groupés sur une même génératrice à l'extérieur de l'enveloppe en tôle. Un ascenseur de 500 k de charge se déplaçant le long de cette génératrice entre la paroi intérieure du puits et le four facilite la visite rapide des principaux organes.
Pour accélérer le refroidissement du four entre les opérations de trempe et de revenu, des ouvertures fermées par des bouchons étanches ont été prévues sur différents points. Un ventilateur peut souffler de l'air froid dans ces ouvertures à l'aide de tuyères mobiles ; pendant les dernières heures de chauffage, il assure également le refroidissement de l'air autour du four pour permettre la visite des organes dans de bonnes conditions à l'aide de l'ascenseur. Les ouvertures de refroidissement sont desservies par des passerelles en tôle perforée.
Les éléments chauffants sont constitués par des rubans en notre alliage nickel-chrome NYS laminés à froid d'une seule longueur et pliés en accordéon ; ils sont alimentés par du courant triphasé à 220 volts. Chaque zone en possède trois, un par phase, montés en triangle et absorbant 150 KWH ; l'intensité admise dans chaque élément est de 227 ampères.
Les amenées de courant ainsi que les connexions du montage triangle sont faites par des barres en cuivre de 40 mm x 5 mm.
Les éléments chauffants sont portés par des supports en réfractaire de forme spéciale. Ces supports sont maintenus par des tiges en alliage réfractaire (Nichrofy).
Les maçonneries du four ont nécessité 27500 briques silico-alumineuses de 60 formes différentes et 56 m3 de Kieselguhr (2) calciné. Malgré la précision demandée et les difficultés que présentaient l'exécution de ces maçonneries, il a suffi d'un délai de sept semaines pour mener à bien ce travail.
L'ascenseur de 500 k. ainsi que le plancher du puits de trempe ont été construits par la maison BERLIAT de Grenoble.
Appareillage électrique de pyrométrie
Tout l'appareillage électrique est groupé dans un appentis avec rez-de-chaussée et un étage, adossé au bâtiment principal.
Au rez-de-chaussée, les tableaux de commande et de contrôle pyrométrique ; les transformateurs.
Au 1er étage : les cellules de l'appareillage haute tension et le tableau portant les contacteurs automatiques.
Le four divisé en 14 zones de 150 kW plus la partie supérieure de 50 KW. La puissance absorbée peut atteindre 2.150 KW.
La construction du four permet son utilisation sur tout ou partie de la hauteur : la puissance utilisée peut donc être inférieure à la puissance installée ; pour cette raison ainsi que pour des considérations de sécurité on a adopté une distribution fractionnée par 5 transformateurs qui donnent une grande souplesse à l'installation.
Caractéristiques des transformateurs :
- puissance : 550 KVA
- tension au primaire : 5700 volts
- tension au secondaire 220 volts + - 5 % + - 10 %
Les transformateurs ont été munis de commutateurs manoeuvrables hors tension et qui permettent de faire varier la tension de + ou - 5% ou de + ou - 10%
Chacun de ces transformateurs alimente 3 zones du four.
Le tableau de commande comprend :
1 panneau portant un wattmètre enregistreur, un compteur, un voltmètre et 2 ampèremètres pour la haute tension.
5 panneaux de commande des transformateurs portant en schéma lumineux l'indication des zones commandées et en travail, la commande à distance des disjoncteurs, les voltmètres et ampèremètres pour chaque transformateur.
Le tableau faisant suite porte les appareils de contrôle pyrométrique. Il comprend :
1 panneau portant l'enregistreur de température sur lequel sont connectés les couples chromel-alumel (un pour chaque zone) ; il permet de suivre avec précision toutes les variations de température dans le four.
3 panneaux portant les régulateurs de température du type potentiométrique à plusieurs directions ; ils reçoivent les conducteurs des couples chromel-alumel venant de chaque zon. Ces régulateurs portent 2 cadrans, un pour les températures jusqu'à 500°, l'autre jusqu'à 1000° ; ils agisse à l'aide d'un relais sur les contacteurs.
Pour éviter l'action des chocs mécaniques causés par les manoeuvres des 15 contacteurs sur les appareils de contrôle, les panneaux portant ces contacteurs ont été placés au premier étage au-dessus des transformateurs.
Le courant haute tension est distribué par les barres omnibus aux cellules des disjoncteurs et des transformateurs de tension et d'intensité situés également au premier étage au-dessus du tableau de commande.
Le courant à 220 volts est envoyé des contacteurs au four par 14 câbles armés triphasés de 200mm2 x 3.
(ci joint le schéma de l'appareillage électrique d'une zone)
Les transformateurs ont été fournis par la société Savoisienne ; les contacteurs par la société Alsthom, l'appareillage haute tension par la société Merlin et Gerin, les régulateurs et l'enregistreur de température sont du type Leeds et Northrup construits per M.E.C.I.
CHAPITRE IV - CHARPENTE SUPPORTANT LE TREUIL ET ABRITANT L'INSTALLATION
Cette charpente est constituée par une tour rectangulaire de 10 mètres de largeur, 25 mètres de longueur et 53 mètres de hauteur totale. Elle est orientée perpendiculairement à une halle de 25 mètres de largeur dont elle prolonge les façades et les chemins de roulement du pont de 70 tonnes existant.
L'ossature métallique de la tour est composée de 4 piliers principaux fortement entretoisés et contreventés sur lesquels viennent prendre appui les chemins de roulement du pont de 70 tonnes situés à 12 mètres du sol, du pont auxiliaire de 20 tonnes à 25 mètres du sol et enfin du pont de 150 tonnes à 43 mètres du sol.
La stabilité de la construction a été étudiée non seulement sous l'action des efforts horizontaux des ponts roulants agissant dans les conditions les plus défavorables mais encore sous l'action simultanée d'un vent horizontal donnant une pression de 150 K par mètre carré sur la paroi frappée et une dépression de 50 K par mètre carré sur la façade opposée à sa direction.
Tous ces efforts sont reportés aux pieds des poteaux par les divers systèmes de contreventements clairement visibles sur les photos.
Cette disposition permet de ne transmettre aux massifs de fondations que des réactions verticales et horizontales à l'exclusion de tout effort tendant au renversement de ces massifs. La charge verticale maximum supportée par chaque massif peut atteindre 490 tonnes
Ces massifs ont été exécutés en béton de ciment, ils ont 3 x 3 m de côté et 6 m de profondeur environ
Le cas considéré donnant les efforts maxima est celui produit par le vent sur les longs pans avec les réactions du treuil de 150 tonnes seul en fonctionnement.
Afin de diminuer le plus possible la flèche des poutres de roulement de 25 mètres de portée, sur lesquelles circule le pont roulant de 150 tonnes, celles-ci ont été établies avec une hauteur correspondant sensiblement au 1/10 de leur portée. Dans le sens vertical, elles sont indépendantes de l'ossature de la tour, de façon à n'entraîner aucune déformation dans les éléments de cette dernière. Dans le sens horizontal, elles ont été rendues solidaires des poutres au vent, au moyen de barettes de liaison horizontales, articulées à leurs extrémités.
Dans le but de réaliser une construction aussi légère que possible, présentant néanmoins toute garantie au point de vue solidité et durée, l'ossature principale ainsi que toutes pièces dont le taux de travail est supérieur à 13 kg par mm2 ont été exécutées en acier spécial à haute résistance chromo-cuivre donnant R = 54 kgs avec emploi de rivets et boulons en acier AC 50. Le taux de travail maximum pour les pièces en acier spécial a été fixé à 18k500 par mm2.
Pour les parois et la toiture, il a été fait usage de tôles ondulées galvanisées en acier semi-inoxydable au chrome cuivre qualité MARTIN. Afin d'obtenir un supplément de protection à la corrosion ces tôles ont été goudronnées à chaud avant mise en place.
Cette charpente a été construite par les Constructions Métalliques et Entreprises Générales à Lyon. Son poids total est de 400 tonnes.
CHAPITRE V - PONT ROULANT DE 150 TONNES
Cet appareil a été conçu pour assurer à la fois les opérations de trempe et de frettage des pièces très longues. Les opérations de trempe exigent une grande vitesse de levage pour sortir rapidement la pièce du four électrique et une vitesse d'affalage plus grande encore pour l'immersion de la pièce dans l'eau ou l'huile du puits.
Les opérations de frettage demandant une grande précision, une vitesse très lente (0m500 à la minute) est nécessaire pour les mouvements de levage, d'affalage et de translation. Ces conditions ont été remplies par l'alimentation des moteurs de levage et de translation à l'aide d'un groupe Léonard.
Caractéristiques du Pont roulant
:
- Mouvement de levage.
Charge maximum au crochet ...........................................................150 tonnes
Vitesse de levage sous charge de 150 T. ..........................................6 m. minute
" " " à vide .............................................................14m,50 "
" " " graduelle de 6 à 14m,5 pour charges < 150 T
Vitesse d'affalage rapide ................................................................60m. minute
charge maximum pour affalage rapide ..............................................70 tonnes
course verticale du crochet ..............................................................60 mètres
- mouvement de translation
vitesse max avec charge de 150 T....................................................12 m. minute
course .............................................................................................20 m.
- mouvement de direction
vitesse ............................................................................................0m500 minute
course..............................................................................................0m500 minute
La particularité de l'engin réside dans le mécanisme de treuil avec train planétaire qui permet d'obtenir l'affalage rapide de la charge par simple gravité, grâce à l'action d'un frein mécanique à autorégulation centrifuge et sans qu'il soit besoin de désolidariser les tambours du mécanisme d'entraînement électrique.
Le mouvement d'affalage est obtenu par simple desserrage du frein effectué à distance par l'intermédiaire d'un vérin électrohydraulique. L'arrêt de l'affalage rapide peut être obtenu soit automatiquement par un dispositif réglable de déclanchement à vis, soit à la main par simple appui sur un bouton poussoir commandant un électro-aimant.
Le frein d'affalage situé dans le carter du réducteur de vitesse est du type à sabots multiples, le reforidissement du tambour est obtenu par barbottage et arrosage par pompe.
Les différents organes de commande et les appareils de mesure sont centralisés sur une plateforme de manoeuvre adossée au pignon du bâtiment à 5 mètres au-dessus du sol. Un transmetteur de position à rampe lumineuse situe le pont sur la voie de roulement en face du four et du puits de trempe, favorisant ainsi la précision et la rapidité des manoeuvres.
La vitesse instantanée de la charge est mesurée par une dynamo tachymétrique entraînée par le mécanisme réducteur. Des cadrans indicateurs sont installés sur la plateforme de manoeuvre et sur la plateforme du treuil, d'où il est possible d'actionner un frein de secours.
Comme nous l'avons dit plus haut, les moteurs de levage et de translation sont alimentés par un groupe convertisseur Léonard dont le moteur de 400 CV est alimenté par un courant triphasé à 5700 volts - 50 périodes et tourne à 1455 tours-minute. La génératrice est à courant continu sous 0 à 460 volts ; excitation sous courant continu de l'usine à 220 volts. Ce même courant alimente les appareils auxiliaires (vérins, freins électro-magnétiques ainsi que le moteur du mouvement de direction).
La commande électrique est assurée par un combinateur à crans multiples actionné à la main. Ce combinateur contrôle les contacteurs des circuits de puissance et règle le sens de l'intensité du courant d'excitation des moteurs et de la génératrice par insertion de résistance rhéostatique.
Un commutateur à deux positions permet de passer sur l'un ou l'autre mouvement.
Les moteurs des mouvements de levage et de translation sont du type blindé réversible à excitation séparée sous 220 volts. Le moteur de levage a une puissance de 330 CV à 750 tours, celui de translation est de 20 CV à 750 tm.
L'alimentation par groupe Léonard donne beaucoup de souplesse à la commande électrique. La vitesse des moteurs est réglable de + - 80 tours minute à + - 750 t.m. par variation de 0 à 460 volts de la tension d'alimentation à couple constant et de + - 750 t.m. à + - 1800 t.m. par diminution graduelle du champ moteur et couple décroissant pour manutention des charges inférieures à 150 tonnes.
Ce pont roulant a été construit par la société APPLEVAGE.
Cet important ensemble de travaux commencé fin octobre 1934, après environ 3 mois d'études préliminaires a été achevé fin septembre 1935 soit en 11 mois.
Plusieurs traitements, recuits et trempes de diverses grosses pièces ont été effectués depuis, en particulier celui d'un "tube chaud" pour la fabrication des Essences Synthétiques, dont le poids à ce moment dépassait 40 tonnes.
Toutes ces opérations ont permis de reconnaître que le fonctioneement de toutes les parties de l'installation ci-dessus décrite est rigoureusement correct et que le programme pour lequel elle avait été conçue est complètement rempli.
ACIERIES FIRMINY
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(1) chromel : nom commercial d'un alliage nickel+10 à 20 % de chrome pour constituer avec l'alliage alumel (nickel +2% d'aluminium, 2% de manganèse et 1% de silicium, résistant à la corrosion oxydante) les couples thermo-électriques couramment employés pour mesurer les températures entre 500 et 1100 ° .
(2) kieselguhr : variété de silice pulvérulente (provenance géologique : diatomées, fossiles constitués de de microscopique
coquilles siliceuses, de faible densité et capable d'absorber de grandes quantités de liquide).
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