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Procédé et installation de traitement continu d'une bande d'acier galvanisée.
La présente invention concerne un procédé de traitement continu d'une bande d'acier galvanisée, en particulier par galvannealing. Elle porte également sur une installation.
On sait que le traitement thermique connu sous le nom de galvannealing consiste à soumettre une bande d'acier galvanisée successivement à un chauffage, un maintien à température puis un refroidissement. Ce traitement doit assurer la diffusion du fer de la bande à travers le zinc du revêtement, jusqu'à atteindre une teneur comprise entre 7 % et 13 % dans ce revêtement. Ces valeurs définissent la gamme optimale de composition de l'alliage, hors de laquelle, si la teneur en fer est trop élevée, il se produit du poudrage à l'emboutissage, ou si la teneur en fer est trop faible, la soudabilité du produit n'est pas suffisante.
Actuellement, l'opération de galvannealing est effectuée dans une instalation où la bande décrit au moins deux passes verticales, à savoir une passe ascendante et une passe descendante. Typiquement, cette installation peut également être utilisée pour la fabrication d'une bande galvanisée conventionnelle.
Dans une opération de galvannealing classique, on dispose un four de chauffage et de maintien à température au-dessus du bain de galvanisation, immédiatement après le dispositif d'essorage constitué par des couteaux d'air. Ce four est généralement rétractable, parce qu'il n'est pas utilisé lors de la production de bandes galvanisées conventionnelles.
Au-dessus de ce four est situé un premier dispositif de refroidissement, généralement un groupe de ventilateurs de soufflage d'air, de manière à ne pas endommager le revêtement sur les rouleaux de renvoi. L'ensemble du four et du dispositif de refroidissement déterminent la hauteur de la passe ascendante, qui ne dépasse généralement pas 50 mètres en raison des vibrations produites au niveau des couteaux d'air. Un second dispositif de refroidissement, par exemple un second groupe de ventilateurs, est habituellement placé au début de la passe descendante qui suit.
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Dans une telle installation, la bande revêtue quitte le bain de zinc à une température d'environ 450ex à 480.
C puis, après essorage par les couteaux d'air, elle subit l'opération de galvannealing par chauffage et maintien à une température comprise entre 460. C et 600. C dans le four précité. Elle est ensuite refroidie d'abord par un premier groupe de ventilateurs à la fin de la passe ascendante, puis au début de la passe descendante, jusqu'à une température appropriée en vue d'un traitement ultérieur de la bande revêtue.
Quant aux bandes galvanisées conventionnelles, elles subissent uniquement un refroidissement depuis environ 4S0. C à 480. C, qui est leur température après l'essorage, jusqu'à une température inférieure à 330. C au sommet de la passe ascendante, afin d'éviter le collage de la bande sur les rouleaux de renvoi. Le refroidissement se poursuit alors dans le second dispositif de refroidissement, situé au début de la passe descendante, jusqu'à la température requise pour un traitement ultérieur de la bande galvanisée.
Dans la pratique actuelle, lesdits moyens de chauffage de la bande comprennent un four à feu direct ou un four à induction. Ces moyens de chauffage sont capables de réaliser une augmentation de 50'C à 100. C de la température de la bande, avec une vitesse qui est cependant modérée et par exemple, pour une bande de 0,7 mm d'épaisseur, de 6*C/s dans un four équipé de brûleurs et de 30*C/s dans un four à induction à fréquence de 10 kHz. Par ailleurs le chauffage par brûleurs à gaz a un rendement énergétique faible, de l'ordre de 30 % tandis que avec les fours à induction classiques à bobines multispires, à flux longitudinal ou transversal, on peut être amené à corriger la distribution transversale irrégulière des températures.
De leur côté, les moyens de maintien à température sont généralement constitués d'un tunnel calorifugé, éventuellement équipé de moyens de chauffage, par exemple à l'électricité ou au gaz ; ils occupent environ le quart de la hauteur du brin vertical ascendant. L'ensemble des fours de chauffage et de maintien doit être suffisamment long pour assurer une durée de séjour supérieure à 10 secondes, et de préférence supérieure à 15 secondes, à une température supérieure à 450. C.
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Conçues de cette façon, les installations ne permettent pas de réaliser l'opération de galvannealing dans les conditions optimales : la vitesse peu élevée de chauffage de la bande galvanisée oblige à disposer d'une longueur importante de cette section et limite d'autant la longueur de la zone de maintien à température où se produit la diffusion du fer de la bande dans le zinc, ce qui oblige à recourir à des températures plus élevées. Il est d'autre part bien connu que le risque au poudrage lors de l'emboutissage diminue lorsque la température de maintien est réduite et que la durée de maintien est allongée.
La présente invention a pour but de remédier à cette situation en proposant un cycle thermique qui assure d'excellentes conditions d'exécution du traitement de galvannealing : au lieu des cycles que l'on pratique actuellement, le procédé de l'invention réalise un cycle"carré" avec une longue durée de maintien à une température qui peut être relativement basse étant donné la longue durée du traitement.
Le procédé de traitement continu d'une bande d'acier galvanisée au trempé, objet de la présente invention, est caractérisé en ce que, après l'opération d'essorage de la bande à la sortie du bain de zinc, on réchauffe rapidement la bande jusqu'à une température comprise entre 460. C et 600*C avec une densité de puissance de chauffage supérieure à 180 kW/m2 par face de produit, en ce qu'on maintient la bande à température sensiblement constante pendant une durée comprise entre 10 secondes et 30 secondes, en ce que l'on refroidit ensuite rapidement la bande jusqu'à une température inférieure à 420*C avec une densité de puissance de refroidissement supérieure à 100 kW/m2 par face de produit.
La densité de puissance de chauffage-respectivement de refroidissementqui est exprimée en kW/m2 est une notion bien connue des praticiens, et notamment des praticiens du traitement thermique des tôles d'acier. On peut aisément convertir la densité de puissance en vitesse de variation de la température, en fonction de l'épaisseur du produit.
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Par exemple, une densité de puissance de chauffage de 180 kW/m2 par face de produit signifie une vitesse de chauffage de 100'C/s pour une tôle de 0, 7 mm d'épaisseur, et de 60'C/s pour une tôle de 1, 25 mm d'épaisseur. D'un autre côté, une densité de puissance de refroidissement de 100 kW/m2 par face de produit signifie une vitesse de refroidissement de 54'C/s pour une épaisseur de 0,7 mm et de 30'C/s pour une tôle de 1,25 mm.
Suivant une modalité avantageuse du procédé de l'invention, on assure le chauffage rapide de la bande au moyen d'un four à induction à très haute fréquence, par exemple comprise entre 100 kHz et 500 kHz ; cette modalité permet d'atteindre des densités de puissance très grandes et de ce fait de réaliser des vitesses très élevées de chauffage, par exemple de 1500C/s pour une bande de 0,7 mm d'épaisseur.
Suivant une variante préférentielle de cette modalité, on combine l'emploi d'un four à induction à très haute fréquence avec celui d'un inducteur à spire unique par exemple constitué d'une feuille de cuivre entourant la bande. Cette variante avantageuse améliore la distribution transversale des températures dans la bande : le problème des variations périodiques de la température selon la largeur de la bande disparait et les bords sont réchauffés à la même température que la partie centrale.
Encore suivant l'invention, la zone de maintien à température est constituée par une enceinte éventuellement pourvue de moyens de réchauffage tels que des brûleurs à gaz pour apporter des calories destinées à compenser des pertes locales de chaleur.
Suivant encore l'invention, à la sortie de la zone de maintien à température, on assure le refroidissement rapide de la bande au moyen de gicleurs à brouillard eau/air.
Il est à remarquer que l'élévation de température par chauffage à induction permet, comme on le sait déjà, un meilleur contrôle de l'opération du traitement de galvannealing, pour autant que la distribution des températures dans la bande soit la plus homogène possible à la sortie du four, ce qui dépend des conditions à la sortie du bain de zinc. Dans cette optique, il peut s'avérer utile, toujours suivant l'invention,
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d'insérer entre la section d'élévation rapide de la température et la zone de maintien à température, une section d'homogénéisation de températures, par exemple équipée de brûleurs disposés en travers de la bande et pourvus de moyens individuels de règlage de l'alimentation.
On va maintenant décrire de façon plus détaillée une modalité de réalisation d'une installation conforme à l'invention, en faisant référence aux dessins annexés dans lesquels la : Fig. 1 montre une installation typique de l'état actuel de la technique de galvannealing ; la Fig. 2 représente une modalité de réalisation de l'invention, et la Fig. 3 représente les diagrammes température/temps du cycle thermique objet de l'invention et d'un cycle thermique conventionnel.
Ces figures constituent bien entendu des représentations schématiques, dans lesquelles on n'a volontairement reproduit que les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention. Par souci de clarté, des éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes repères numériques dans toutes les figures.
On se réfère en premier lieu à la Fig. 1, qui montre une installation de traitement d'une bande d'acier galvanisée, typique de la technique actuelle.
La bande d'acier 1 provenant d'un four de recuit, plonge dans un bain de zinc fondu 2 contenu dans une cuve de galvanisation 3. La bande 1 est déviée par un premier rouleau de renvoi 4, et elle quitte le bain de zinc 2 en direction verticale, guidée par les rouleaux 5. A la sortie du bain de zinc 2, elle traverse un dispositif d'essorage 6, constitué par des couteaux d'air, qui règle l'épaisseur de la couche de zinc sur la bande d'acier 1.
Ainsi revêtue, la bande d'acier 1 décrit successivement une trajectoire verticale ascendante jusqu'à un deuxième rouleau de renvoi 7, une trajec- toire horizontale jusqu'à un troisième rouleau de renvoi 8, puis une tra- jectoire verticale descendante vers une opération ultérieure.
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Dans la partie inférieure de la trajectoire verticale ascendante, c'est- à-dire peu après le dispositif d'essorage 6, est disposé un four comportant une section de chauffage composée des zones 9 et 10 suivie d'une section de maintien à température 11. Ce four permet d'opérer le chauffage de la bande et son maintien à la température choisie pour provoquer la migration du fer dans le zinc qui caractérise le traitement de galvannealing. Tout ou partie de ce four est rétractable afin de pouvoir produire des bandes d'acier galvanisées de manière conventionnelle, sans traitement de galvannealing ; en particulier, ce four peut faire place à d'autres engins, tels que par exemple une installation de fleurage minimum, souvent utilisée en galvanisation classique. La température de la bande est d'environ 450.
C après l'essorage ; elle est élevée jusqu'à 460*C à 600*C par l'opération de galvannealing dans le four.
Au-dessus du four, c'est-à-dire dans la partie supérieure de la trajectoire verticale ascendante, l'installation conventionnelle comporte un dispositif 12 de refroidissement de la bande d'acier galvanisée, qui se compose généralement d'un groupe de ventilateurs de soufflage d'air. Ces dispositifs assurent le refroidissement de la bande galvanisée, éventuellement après galvannealing, jusqu'à une température suffisamment basse pour éviter qu'elle colle sur les rouleaux de renvoi 7.
Dans une telle installation, le cycle thermique s'écarte notablement du cycle carré, ce qui rend l'opération de galvannealing mal contrôlable.
Il en résulte notamment des difficultés concernant d'une part la régulation du traitement et d'autre part la maîtrise de la composition de l'alliage fer-zinc, en particulier sur des bandes d'acier épaisses avec une faible épaisseur de zinc.
Ces problèmes sont résolus par l'installation qui fait l'objet de l'invention, dont une modalité de réalisation est illustrée dans la Fig. 2 et décrite ci-dessous.
Cette modalité ne diffère pas de la technique antérieure en ce qui concerne la galvanisation proprement dite de la bande, ainsi que l'essorage de la couche de zinc.
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La différence essentielle porte sur le four de galvannealing qui, conformément à l'invention, comporte une courte section 10 de chauffage rapide de la bande d'acier galvanisée, suivie d'une courte zone 13 d'égalisation de températures et d'une longue zone 11 de maintien à température sensiblement constante ; à la sortie du four est disposée une section 14 de refroidissement rapide équipée de gicleurs à brouillard eau/air.
Comme il a été dit plus haut, la longueur de la trajectoire verticale ascendante (4,7) ne peut actuellement pas dépasser une cinquantaine de mètres, notamment en raison de vibrations transversales de la bande et de la difficulté de régler l'épaisseur du revêtement. Dans les installations conventionnelles telles que représentées à la figure 1, étant donné la présence d'un long dispositif de refroidissement 12 avant le premier rouleau de renvoi 7 et la longueur du four de chauffage 10 l'espace disponible pour la zone de maintien à température Il est limité.
En raccourcissant très sensiblement les sections de chauffage et de refroidissement de la bande, l'invention permet d'allonger fortement la durée du maintien à température, ce qui d'une part facilite le réglage des températures et la conduite du traitement et d'autre part permet d'appliquer un maintien long à température moins élevée que dans l'opération classique, ce qui est favorable pour les propriétés du revêtement.
Cette différence dans les cycles thermiques du traitement classique de galvannealing et du traitement suivant l'invention est illustrée à la figure 3 qui donne le diagramme température/temps respectivement des deux opérations.
Sur ce diagramme où les températures (*C) sont en ordonnée et le temps (secondes) en abscisse, le tronçon AB représente le léger refroidissement qui affecte la bande à la sortie du bain de zinc en A et le tronçon EF illustre la diminution de température qui suit le refroidissement forcé avant le contact avec le rouleau de renvoi 7.
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Le cycle thermique classique BCDE met en évidence l'évolution lente de la tempérarure du produit, difficile à contrôler. De son côté, le cycle de l'invention avec ses tronçons BG de chauffage rapide et HE de refroidissement accéléré permet un long maintien GH à température constante.