Fonctionnement optimal d'un four industriel de cémentation gazeuse à basse pression

La cémentation à basse pression (LPC) est un procédé qui vise à améliorer les propriétés mécaniques des métaux en augmentant la teneur en carbone de leurs couches superficielles. Depuis son introduction au 20ème siècle, la LPC est devenue assez répandue dans l'industrie spécialisée dans le traitement thermique des pièces mécaniques pour l'automobile et l'aéronautique et est fréquemment préférée à d'autres méthodes de cémentation comme la cémentation gazeuse atmosphérique. Par rapport à cette dernière, la LPC est un procédé respectueux de l'environnement qui réduit le temps de cémentation et ne provoque aucune oxydation intergranulaire de l'acier (Zajusz et al., 2014). Ce résultat est obtenu en réalisant le procédé à des températures élevées et à de faibles pressions tout en fournissant une alimentation cyclique de gaz comme l'acétylène. Cependant, comme la plupart des procédés de cémentation, la LPC s'est avéré être une source importante d'exposition professionnelle à des substances toxiques comme les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et les suies qui contiennent des substances cancérigènes comme le benzo[a]pyrène (CIRC, 2012; Champmartin et al., 2017). Le défi est donc de minimiser la production de substances nocives tout en répondant aux exigences industrielles et mécaniques.
Le présent article aborde ce défi en utilisant l'optimisation dynamique qui vise à déterminer la meilleure séquence d'alimentation en acétylène afin de minimiser la production de composés toxiques et de respecter les contraintes de teneur en carbone des pièces en acier. Plus précisément, le problème d'optimisation est formulé comme un problème d'optimisation dynamique hybride impliquant deux modes (alimentation en acétylène discontinue) où chaque mode est caractérisé par des équations modèles, une condition de transition et des fonctions de transition. Le problème d'optimisation dynamique est ensuite transformé en un problème de programmation non linéaire (NLP) en utilisant une approche de paramétrisation du vecteur de contrôle (CVP) et résolu au moyen d'une méthode basée sur le gradient. Les résultats obtenus sur un procédé industriel montrent qu'il est possible de réduire significativement les composés toxiques avec une consommation d'acétylène moindre, mais avec une durée totale du procédé supérieure à celle obtenue dans les conditions habituelles de fonctionnement industriel.
Des études expérimentales ont été réalisées pour vérifier la validité des résultats numériques. Elles consistent en une quantification des HAP formés, une analyse par spectrométrie de masse et des essais de dureté réalisés sur les pièces en acier cémenté. Les résultats confirment que le traitement approprié des pièces métalliques est assuré et montrent que la quantité de HAP générés est réduite. Comme il est assez difficile de quantifier et d'analyser avec précision les HAP dans un cadre industriel, des recherches et des études expérimentales supplémentaires sont nécessaires. Cependant, les résultats obtenus jusqu'à présent sont assez encourageants.