"Procédé et dispositif de patentage de fils d'acier".
La présente invention est relative à un procédé
de patentage de fils d'acier comprenant le chauffage des fils
jusque dans la zone de formation d'austénite suivi d'un refroidissement rapide jusque dans la zone de formation perlitique désirée,suivi d'un maintien à température sensiblement constante, nécessaire pour assurer la décomposition complète
de l'austénite, cette opération globale étant appelée ci-après "trempe isotherme".
L'opération de patentage des fils d'acier consiste à soumettre ces fils à un traitement thermique avant <EMI ID=1.1>
le tréfilage pour assurer à ces derniers une bonne tréfilabilité et, après ce tréfilage, des propriétés mécaniques améliorées telles que : résistance à la rupture, et à l'allongement, augmentation du nombre de torsions et de flexion avant la rupture etc.
Ce patentage consiste à porter le fil à une
<EMI ID=2.1>
gramme Fe-C), par exemple 960[deg.]C et à l'y maintenir pendant un temps tel que l'on obtienne une austénitisation parfaite, puis
à le plonger immédiatement dans-un bain fluide de trempe isotherme et à l'y maintenir suffisamment longtemps pour que la transformation de structure par formation perlitique au dépend
de l'austénite se fasse complètement. Ce fil est ensuite refroidi, de préférence à l'abri de l'air pour éviter son oxydation.
La température du bain de trempe isotherme dépend de la nature de-l'acier et de la structure qu'on désire obtenir; elle est généralement de l'ordre de 560[deg.]C pour l'acier ordinaire.
L'opération de patentage peut s'effectuer suivant deux modes de réalisation différents :
1[deg.]- Le patentage en ligne :
Les fils sont multiples et forment une nappe qui passe successivement dans le four d'austénitisation et dans le
four de trempe isotherme. Cette trempe-peut avoir lieu à l'air, dans un bain de plomb ou dans un bain de sel.
2[deg.]- Le patentage en couronnes ou en bottes :
Dans un tel procédé les fils restent en couronnes telles qu'elles viennent du laminoir à fil machine et sont transportées du four d'austénitisation, qui est du type à chambre, dans une cuve à sel.
Les dispositifs de patentage en ligne connus jusqu'à présent sont de deux types différents.
Dans un premier type les fils sortant du four d'austénitisation sont infléchis vers le bas pour les faire plonger dans un bain de trempe qui est de préférence formé de plomb liquide. Ensuite pour sortir de ce bain, les fils subissent une nouvelle flexion. Le fait de devoir fléchir les fils pour les plonger dans et sortir du bain de trempe limite l'application
de ce type de procédé au patentage de fils de diamètre égal ou maximum à 15 mm.
Le deuxième type de procédé de patentage en ligne permet de remédier à cet inconvénient et applique la technique dite à la cataracte avec débordement d'un bain placé au-dessus d'une cuve de réception. Dans ce procédé, les fils sortant du four ne sont pas déviés mais passent directemept dans le courant du fluide de trempe vertical provoqué par ce débordement.
Ce type de procédé présente cependant l'inconvénient que le liquide de refroidissement formé par du plomb liquide ou des sels vient en contact avec l'atmosphère et s'oxyde pour devenir rapidement inapte à refroidir les fils.
De plus, dans le cas du plomb, ce dernier s'évapore, ce qui présente un risque de saturnisme.
Un autre inconvénient encore est que du plomb peut être entraîné par les fils, ce qui empêche leur décapage correct.
Le patentage en couronnes ou en bottes présente également de très importants inconvénients et donne des fils
de qualité médiocre et irrégulière.
En effet, il est pratiquement impossible d'obtenir, dans une atmosphère <EMI ID=3.1>
metures de la porte du four pour l'introduction des bottes provoquant une oxydation et décarburation des fils en surface.
Comme inévitablement des spires de fils enroulés se touchent et touchent également le support de charge,
le cycle d'échauffement de ces points de contact des fils n'est pas identique à celui des surfaces libres des fils, d'où des variations de structure métallographique non négligeables.
Les bottes de fils, après leur traitement dans le four d'austénisation, doivent être transportées vers
<EMI ID=4.1>
fils peuvent s'oxyder, ce qui nécessite ultérieurement un dé- capage coûteux provoquant une perte de métal et une altéra-
tion de la surface des fils.
Les mêmes inconvénients dus au contact des
spires entre elles et avec les supports des fils se reproduisent au cours de la trempe isotherme, créant une nouvelle hétérogé- neité de structure métallographique dans les fils.
Un des buts essentiels de la présente invention consiste à remédier aux inconvénients de ces procédés de patenta+ ge connus en proposant un nouveau procédé de patentage en ligne qui permet d'assurer un traitement thermique uniforme et d'appliquer le patentage à des fils de n'importe quel diamètre. ;
A cet effet, suivant l'invention, le refroidis- sèment et le maintien à température sensiblement constante appe- ' lé "trempe isotherme", a lieu en trois phases successives,une première phase au cours de laquelle la couche périphérique des fils refroidit rapidement jusqu'à une température qui soit telle que, dans une deuxième phase, par réchauffement de cette couche, grace à la chaleur accumulée au coeur du fil, ce dernier atteigne une température uniforme dans sensiblement toute sa section avant que ne commence la transformation de l'austénite en ferrite et cémentite par le passage au travers les courbes TTT de l'acier des fils, constituant la troisième phase.
Avantageusement, on réalise la transformation de l'austénite en ferrite et cémentite dans des conditions sensiblement isothermiques.
Suivant une forme de réalisation particulièrement avantageuse, on réalise le refroidissement susdit du fil dans un courant turbulent de liquide se déplaçant d'une manière hélicoïdale autour du fil.
L'invention concerne encore une installation
de patentage de fils d'acier, qui peut en particulier être utilisée pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus.
Cette installation comprend un four pour le chauffage des fils à une température située dans la zone de formation de l'austénite et un dispositif de trempe isotherme des
fils ainsi chauffés jusque dans la zone de formation de perlite. Ce dispositif est caractérisé par le fait qu'il présente au moins un espace tubulaire dans lequel au moins un fil peut se déplacer sensiblement parallèlement à l'axe de cet espace tubulaire, des moyens étant prévus pour créer dans cet espace un courant de liquide de. refroidissement en contact avec ce fil.
Avantageusement.,l'espace tubulaire est alimenté à une ce ses extrémités par du liquide de refroidissement au moyen d'une pompe de circulation branchée entre cet espace et un réservoir de liquide de refroidissement, l'autre extrémité étant agencée de manière à permettre de retourner le liquide introduit
dans ledit espace vers le réservoir susdit, des moyens étant prévus pour le refroidissement du liquide contenu dans ce dernier.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre d'exemple non limitatif, d'une forme de réalisation particulière de l'invention avec référence aux dessins annexés.
La figure 1 est une vue schématique en élévation et en coupe longitudinale d'une forme de réalisation particulière d'une installation de patentage suivant l'invention. La figure 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la figure 1. La figure 4 est une vue partielle en perspective et à plus grande échelle d'un détail important de l'installation montrée à la figure 1. La figure 5 concerne un graphique montrant entre autres l'évolution de la température,en fonction du temps, de fils d'acier soumis à la trempe isotherme suivant l'invention.
Dans les différentes figures les mêmes chif-
Le procédé de patentage de fils d'acier, suivant l'invention, comprend le chauffage des fils jusque dans la zone de formation d'austénite suivi d'un refroidissement et d'un maintien à température sensiblement constante
appelé "trempe isotherme", dans la zone de formation perlitique qui a lieu en trois phases successives, une première phase
au cours de laquelle la couche périphérique des fils est refroidie rapidement jusqu'à une température qui soit telle. que, dans une deuxième phase, par réchauffage de cette couche, grâce à
la chaleur accumulée au coeur du fil, ce dernier atteigne une température uniforme dans sensiblement toute sa section avant
que ne commence la transformation de l'austénite en ferrite et cémentite qui constitue la troisième phase.
La transformation de l'austénite en ferrite
et cémentite est réalisée dans des conditions sensiblement isothermiques.
La vitesse de refroidissement dans la première phase de la trempe isotherme est déterminée par les courbes
de décomposition isotherme TTT de l'acier dont sont constitués
les fils à traiter. Ceci sera illustré par l'exemple concret
donné ci-après.
Pour obtenir ce refroidissement rapide,on fait usage d'un courant turbulent de liquide qui se déplace d'une manière hélicoïdale autour du fil de manière à obtenir un échange de calories très efficace entre le fil et le liquide.
Avantageusement, le fil se déplaçant suivant une direction rectiligne au cours du refroidissement susdit, on réalise la première phase dans un courant de liquide de sens opposé au sens de déplacement du fil, le réchauffement susdit
dans la deuxième phase ayant lieu dans une atmosphère de
gaz réducteur ou neutre vis à vis de l'acier du fil et
du liquide de refroidissement suivant les propriétés qu'on
désire conférer au fil.
La deuxième
phase susdite est suivie d'un traitement isothermique. Ce traitement isothermique a lieu dans un courant de liquide qui se déplace dans le même sens que celui du fil et permet de réaliser la transformation de l'austénite en ferrite et cémentite.
Le plomb liquide convient particulièrement pour réaliser le refroidissement rapide susdit et le traitement isothermique.
Ce traitement thermique est alors suivi d'un traitement de maintien de la température du fil qui est réglée d'une manière telle qu'il n'y a plus de dégagement de chaleur
dans le fil au cours de ce traitement de maintien.
Enfin, ce traitement de maintien peut être succédé refroidissement du fil abaissant la température de ce dernier,à l'abri de l'air, jusqu'en dessous de sa température d'oxydation, de sorte qu'il peut être stocké sans aucun danger de détérioration.
Ce procédé est particulièrement applicable
<EMI ID=5.1>
fils ne varie qu'entre des limites relativement étroites de sorte qu'il a été possible de déterminer avec une certaine précision les conditions du patentage de ces fils.
Suivant l'invention,on refroidit la couche périphérique de ces fils sur une profondeur correspondant à environ le quart de la section totale des fils et ceci à une température comprise entre 300 et 4500C,dans un temps de tout au plus
2 secondes. Ensuite, par réchauffement de cette couche au moyen de la chaleur accumulée au coeur du fil, on amène la section totale du fil à une température sensiblement homogène qui est de l'ordre de 500 à 550[deg.]C et ceci à environ 2 à 4 secondes. Cette température est alors maintenue pendant environ 15 à 20 secondes puis le fil est refroidi jusqu'en dessous de sa température d'oxydation.
Le procédé de patentage suivant l'invention
est illustré d'une façon concrète par l'exemple donné ci-après :
Exemple.
Un fil d'acier de 20 mm de diamètre et ayant
la composition suivante :
C: 0,81%; Mn: 0,57%; P: 0,012%; Ni: 0,09%; Sn: 0,003%; Si: 0,28%; S: 0,023%; Cr: 0,05%; Cu: 0,06%
est soumis au patentage, et en particulier à la trempe isotherme suivant l'invention.
Le graphique des courbes de décomposition isotherme TTT a et b de l'acier, montré à la figure 5 est complété par une courbe c représentant la variation de la température de la surface extérieure du fil en fonction du temps au cours de.ladite trempe isotherme.
Ce fil est chauffé à 1050[deg.]C pendant 90 sec., de manière à former de l'austénite.
Ensuite, le fil ainsi traité est refroidi par un courant turbulent de plomb ou d'un alliage de plomb liquide,ayant une température de l'ordre de 250[deg.]C�qui s'écoule dans le sens opposé à celui du déplacement du fil.
La durée de ce refroidissement, est d'environ 1 seconde. Le fil subit un refroidissement superficiel brusque jusqu'à environ 330[deg.]C. Ceci constitue donc la première phase de la trempe isotherme et est indiqué sur le graphique par le
<EMI ID=6.1>
Au cours de la deuxième phase, le fil ne subit plus de refroidissement extérieur forcé, de sorte qu'une partie de la chaleur accumulée au noyau du fil se propage vers la surface refroidie de ce dernier. Ceci a comme conséquence une certaine homogénéisation, dans toute la section du fil,
de la température..
Le segment L2 montre, dans la figure 5, la variation de. la température de la surface du fil au cours de cette deuxième phase. La température du fil est alors amenée, pour le traitement théoriquement isothermique, jusqu'à 530[deg.]
à 540[deg.]C, comme indiqué par le segment L3 sur la courbe c. Cette température doit être celle qui correspond à une forte surfusion pour la transformation de l'austénite en ferrite et cémentite puisque ceci permet d'obtenir une structure métallographique très fine.
<EMI ID=7.1>
c correspondant à cette phase, appelée phase de maintien de la température.
Ensuite, on refroidit le fil jusqu'en dessous de sa température d'oxydation. Cette dernière phase est visualisée par la partie
<EMI ID=8.1>
Les figures 1 à 4 concernent une forme de réalisation particulière de l'installation de patentage suivant l'invention permettant la mise en oeuvre du procédé décrit cidesaus.
Il s'agit d'une installation de patentage rectiligne qui comprend essentiellement un ou deux dérouleursdresseurs de fils, destinés à faire avancer le ou les fils dans un plan sensiblement horizontal suivant une direction bien déterminée, un décalamineur pour les fils, un four d'austénisation, un four de trempe isotherme, un four de maintien de température, un refroidisseur, une installation de traitement de surface,
un séchoir et un ou deux enrouleurs à la fin de l'installation pour le stockage des fils traités.
Les dérouleurs-dresseurs, le refroidisseur, l'installation de traitement de surface, le séchoir et les enrouleurs n'ont pas été représentés aux figures étant donné que ces dispositifs ne font pas l'objet de la présente invention
et peuvent être par exemple d'un type classique.
Par contre, le four d'austénitisation et le four de trempe isotherme ont été représentés aux figures 1 à 3.
Le four d'austénisation 1 est destiné à porter le ou les fils à une température au-dessus du point de trans-
<EMI ID=9.1>
temps tel que l'on obtient une austénitisation parfaite.
Le four montré aux figures est conçu pour traiter deux fils simultanément, ce qui, pour un tonnage horaire donné, divise la vitesse de passage du fil dans le four par
deux.
Ce four 1 comprend une chambre de chauffage tubulaire 2 d'axe sensiblement horizontal et des brûleurs à combustion interne 3 aboutissant à cette chambre. Ces brûleurs sont orientés d'une manière telle qu'un courant sensiblement hélicoïdal de gaz de combustion est provoqué autour des fils 4
se déplaçant sensiblement parallèlement à l'axe de cette chambre.
Dans la forme de réalisation montrée aux figures 1 et 2, les brûleurs sont montés au-dessus de la chambre de chauffage <2> suivant des axes verticaux et débouchent dans la paroi supérieure de cette chambre.
La paroi de la chambre de chauffage 2 opposée
à celle où débouchent les brûleurs 3 qui est, dans le présent cas le fond 5 de la chambre, présente une allure courbée en forme
de déflecteur pour les gaz de combustion injectés dans cette chambre, de manière à provoquer autour des fils 4 le courant hélicoïdal susdit montré par les.flèches 6 dans la figure 2. Comme montré à cette figure, le fond 5 de la chambre de chauffage présente la forme de deux demi-cylindres juxtaposés, chacun des fils passant par l'axe d'un de ces demi-cylindres. Les brûleurs 3 débouchent au-dessus de l'endroit de ce fond 5 où les deux demicylindres se rejoignent de manière à ce que les gaz de combustion soient défléchis.
Les fils 4 sont maintenus sensiblement dans l'axe des demi-cylindres respectifs de la chambre de chauffage 2 au moyen de supports 7 judicieusement espacés. Chacun de ces supports présente une surface de guidage creuse d'allure semiconique dont l'axe coïncide avec celui des demi-cylindres susdits et dont la base est dirigée vers l'entrée du four. Chacun des
fils 4 s'appuie dans lesdits supports au sommet de leur surface d'allure semi-conique. Ainsi,si sous l'influence de la chaleur régnant dans le four un fil poussé dans ce dernier par l'intermé-i diaire des dérouleurs-dresseurs susdits subit une flexion vers
le bas, au moment où l'extrémité avant de ce fil rencontre le premier support 7, le fil sera redressé et orienté suivant l'axe de la surface semi-cylindrique de la partie du -fond considéré
de la chambre de chauffage . De la même façon, si entre deux supports consécutifs cette flexion se répète, le redressement
a lieu par le support suivant.
Grâce à la forme de la chambre de combustion 2 et à la disposition des brûleurs 3, un échauffement ultra-rapide des fils introduits dans le four a lieu.
De plus, grâce à l'utilisation de brûleurs à combustion interne, il n'y a pas de contactées fils avec des
gaz en combustion, combustion qui donnerait lieu à des réactions chimiques avec le fil en endommageant ce dernier.
Il est possible de régler l'alimentation des brûleurs de manière à ce que ces derniers émettent des gaz légèrement réducteurs pour éviter l'oxydation des fils.
Avantageusement, afin d'assurer la combustion complète de l'oxygène du mélange air-gaz combustible, ce mélange
<EMI ID=10.1>
en amont des brûleurs un rapport air-gaz constant, quels que soient le débit et les pertes de charge dans le collecteur entre le mélangeur et les brûleurs.
Etant donné que le mélangeur susdit peut être de type connu,
il n'a pas été représenté aux figures malgré le fait qu'il constitue un élément essentiel du -four d'austénitisation suivant l'invention.
En effet, cette propriété du mélangeur permet de réchauffer le mélange air-gaz de combustion au moyen des gaz brûlés sortant du four sans qu'il y ait de variation du rapport air-gaz de combustion par suite des variations des pertes de charge dans le collecteur de mélange, dues à des variations ce la température de réchauffage dudit mélange. Ce réchauffage augmente la température des gaz émis par les brûleurs, et par là, le potentiel de chauffage desdits gaz.
Comme la quantité de chaleur transmise aux fils par unité de temps est très fortement augmentée, on obtient ainsi l'austénitisation des fils au moyen d'un four de dimensions très réduites.
Comme déjà signalé ci-dessus, la forme même des parois de la chambre de combustion 2 fait que les gaz chauffants y circulant suivant une spirale à pas très court dû à
la pression qui règne dans la chambre,provoquant donc un passage répété de la même molécule de gaz un grand nombre de fois au contact du fil.
La quantité de chaleur transmise par un gaz, par unité de temps et par unité de surface dépend de la vitesse du gaz en contact avec cette surface suivant la formule :
0,78
ab = 6,5 ,w
dans laquelle ab = quantité de chaleur transmise/unité de surface/unité de temps.
w = la vitesse des gaz chauffants.
! i <EMI ID=11.1>
Ainsi,on constate que ab est fonction de w
et qu'une augmentation de la vitesse des gaz permet de réduire très fortement le temps de chauffe et par conséquent la longueur du four.
Suivant l'invention, la chambre 2 peut être divisée en deux zones de chauffage : une première zone de pré- chauffage dans laquelle on pourra pousser la température au-dessus de la température finale désirée pour le fil et une seconde zone dite de "soaking" dans laquelle le fil atteint sa température d'austénitisation et reste à cette température le temps voulu pour une mise en solution austénitique complète.
Enfin, la sortie de la chambre 2 présente autour du fil 4 une presse-étoupe 8 en fibres céramiques qui résistent à une température d'emploi et qui évite le passage des gaz chauffants vers le four ou dispositif de trempe isotherme 9
monté en aval du four d'austénitisation 1.
Ce dispositif de trempe isotherme présente un nombre d'espaces tubulaires séparés qui est égal au nombre de fils passant par la chambre 2 du four d'austénitisation 1.
Par conséquent, dans le présent cas, ces espaces tubulaires sont au nombre de deux , et sont juxtaposés, un fil sortant de la chambre 2 du four d'austénitisation 1 se déplaçant suivant l'axe de chacun de ces espaces. Des moyens sont prévus pour créer dans ces espaces un courant de liquide
de refroidissement qui entre en contact intime avec les fils.
Chacun des espaces est divisé en quatre parties successives 10, 11, 12 et 13 qui sont traversés l'un après l'autre par les fils sortant de la chambre de chauffage
2 du four 1.
La première partie de l'espace tubulaire 10 est alimentée à son extrémité arrière par du liquide de refroidissement 14 au moyen d'une pompe 15 plongée dans un réservoir
16 contenant ledit liquide de refroidissement 14. Cette pompe
15 refoule du liquide du réservoir 16 dans un bac d'accumulation
17 par un tuyau 18 vers l'extrémité en cause.Le liquide est introduit dans l'espace 10 se déplace en sens contraire au sens de déplacement du fil indiqué par la flèche 19 et est retourné au réservoir 16 par l'intermédiaire d'un tuyau 20 raccordé à l'espace 10 à proximité de l'entrée de ce dernier. Le réservoir
16 est fermé par un couvercle flottant 21 dont les bords sont recourbés dans une gouttière 22 s'étendent tout autour du couvercle et contenant un liquide assurant l'étanchéité du couvercle
21. Ce couvercle est avantageusement refroidi par de l'eau pro-
<EMI ID=12.1>
ainsi retirer des calories du liquide de refroidissement contenu dans le réservoir 16.
Des moyens sont prévus à l'intérieur de l'espace tubulaire 10 pour provoquer dans ce dernier un courant turbulent du liquide de refroidissement en contact avec le fil 4. D'une façon générale ces moyens peuvent comprendre des nervures et/ou rainures en forme de spires prévues à la face intérieure de l'espace tubulaire 10.
Dans la forme de réalisation montrée à la figure 1 et plus en détail à la figure 4, les moyens susdits sont constitués par des nervures obtenues par une barre torsadée 23 enroulée d'une manière hélicoïdale contre la face intérieure de l'espace tubulaire 10.
Cet espace tubulaire est prolongé par un deuxième espace 11, formant une chambre dans laquelle les fils
4 sortant de l'espace 10 peuvent se déplacer et dans laquelle des moyens sont prévus pour maintenir une atmosphère de gaz non oxydant vis-à-vis de l'acier,dont sont constitués les fils et
du liquide de refroidissement 14.
Cette chambre 11 communique par son fond, par l'intermédiaire d'une conduite d'évacuation 24,avec' le réservoir
16 pour permettre de ramener le liquide de refroidissement qui s'infiltre dans cette chambre 11, à partir de l'espace 10, par l'extrémité de sortie pour le fil.
La chambre 11 est entièrement étanche vis-àvis de l'atmosphère extérieure, de sorte que l'atmosphère dans cette chambre peut être réglée très facilement.
La chambre 11 constitue un raccordement entre l'espace 10 et l'espace 12 dans laquelle circule également du liquide de refroidissement dont le but est cependant de maintenir dans cet espace 12 des conditions sensiblement isothermiques.
Ces moyens comprennent le circuit de liquide
de refroidissement permettant de créer dans l'espace 12 un cou-
<EMI ID=13.1>
fil 4. Ce circuit comprend, comme pour l'espace 10, une pompe
25 plongée dans un réservoir 26 contenant le liquide 14, un bac d'accumulation raccordé à l'extrémité d'Entrée de l'espace 12 par un tuyau 28-et un tuyau de retour 29 prévu à proximité de l'extrémité de sortie de l'espace 12 permettant de ramener le liquide dans le réservoir 26. Ainsi, le liquide 14 est refoulé
à partir du réservoir 26 dans le bac d'accumulation 27 et de là, par l'intermédiaire du tuyau 28, à l'entrée de l'espace tubulaire 12,. ce liquide se déplaçant alors dans le même sens que
le fil pour sortir par le tuyau 29.
Eventuellement, un dispositif de chauffage d'appoint, non représenté, est prévu sur le circuit de liquide pour l'espace tubulaire 12 afin de maintenir dans ce dernier des conditions isothermiques. Il peut par exemple s'agir d'un chauffage' électrique réglé par thermostat.
L'espace tubulaire 13 dans lequel entre le
fil directement après sa sortie de l'espace 12 forme la section
de maintien dans laquelle règne une température sensiblement constante.
Enfin, cet espace 13 est éventuellement suivi
de moyens classiques, non représentés,- pour ramener la température des fils.en dessous de leur température d'oxydation.
Comme déjà signalé ci-dessus, on utilise avantageusement du plomb en fusion comme liquide de refroidissement.
La température du circuit de plomb alimentant l'espace tubulaire
10 est maintenue suffisamment basse pour que la périphérie du fil passant dans cet espace atteigne, avant qu'il pénètre dans
la chambre 11, une température telle que, par réchauffage de cette périphérie, grace à la chaleur accumulée au coeur du fil, ce dernier atteigne une température uniforme dans sa section avant que
ne commence la transformation isotherme de l'austénite en ferrite plus cémentite. La température du bain de plomb contenu dans le réservoir 16 est donc également fonction du diamètre des fils traités.
L'évolution de la température dans le fil passant dans l'espace 10. correspond sensiblement à celle indiquée
<EMI ID=14.1>
L'évolution de la température dans la chambre
<EMI ID=15.1>
Dans l'espace tubulaire 12, une isothermie est maintenue sur toute la longueur de celui-ci de manière à obtenir dans le fil passant dans cet espace une variation de température corresponda nt à celle indiquée par le segment L- sur la courbe
c de la figure 5.
Dans l'espace 13 il n'y a plus de dégagement de chaleur dans le fil. Ainsi, cet espace peut avantageusement être déterminé par un simple tube-moufle métallique dans lequel règne une température constante grace, par exemple, à un enroulement chauffant électrique avec un manteau calorifuge couvrant l'ensemble. Le maintien constant de la température étant alors obtenu par rhéostat monté en série avec l'élément chauffant est commandé
par thermostat en contact sur le tube-moufle. Ces moyens de réglage de la température peuvent être considérés comme classi-
<EMI ID=16.1>
de la figure 5 indique la portion de la courbe c qui donne l'évolution de la température dans le fil traversant l'espace 13.
<EMI ID=17.1>
température du fil comme montré par la portion de la courbe 6 délimitée par le segment L5 de la figure 5. Le refroidissement dans ce tube est par exemple obtenu par de l'eau circulant en sens opposé au fil dans une double paroi du tube.
<EMI ID=18.1>
espaces susdits sont séparés l'un de l'autre par des joints 30 s'étendant aux entrées et sorties de ces espaces afin de pouvoir contrôler rigoureusement les conditions de traitement dans chacun de ces espaces'.
Les avantages de l'utilisation d'espaces tubulaires fermés dans lesquels passe le liquide de refroidissement
<EMI ID=19.1>
sont entre autres les suivants :
- pour un même débit de plomb, la vitesse de ce dernier au contact du fil est beaucoup plus grande, grâce au diamètre réduit i de l'espace tubulaire, que si le fil passait dans une nappe de plomb, d'où une meilleure transmission de la chaleur,-
- l'espace 10 contenant l'hélice métallique susdite 23 en forme voulue provoque l'avance du plomb en un mouvement giratoire assurant le renouvellement continu de la couche de plomb en contact avec le fil et son brassage dans le restant de la veine de plomb circulant autour du fil�
- le plomb remplissant complètement les espaces tubulaires 10 et 12 est soustrait à tout contact avec une atmosphère quelconque et ne peut donc s'altérer.
- l'écoulement du plomb à contre courant dans l'espace tubulaire
10 et dans le même sens dans l'espace 12 assure au fil le cycle thermique voulu d'une façon très rigoureuse;
- les différents espaces tubulaires permettent le renfilage aisé des fils par simple poussée exercée par le dispositif dérouleurdresseur placé avant le décalamineur; l'espace tubulaire 10 est à entrée conique et est relié à l'espace tubulaire 12 par un tube de raccord 31 délimitant la chambre 11, cette dernière empêchant donc tout passage exagéré de plomb de l'espace 10 vers l'espace 12.
Une'atmosphère protectrice règne au-dessus des niveaux de plomb dans les réservoirs 16 et 26, autour des zones de déversement du plomb dans ces réservoirs et dans l'espace tubulaire
"Method and device for patenting steel wires".
The present invention relates to a process
patenting of steel wires including heating of the wires
up to the austenite formation zone followed by rapid cooling to the desired pearlite formation zone, followed by maintaining a substantially constant temperature, necessary to ensure complete decomposition
austenite, this overall operation being called hereinafter "isothermal quenching".
The patenting operation for steel wires consists of subjecting these wires to a heat treatment before <EMI ID = 1.1>
drawing to ensure that the latter have good drawing ability and, after this drawing, improved mechanical properties such as: resistance to breakage and elongation, increase in the number of twists and bending before breaking, etc.
This patenting consists of carrying the wire to a
<EMI ID = 2.1>
gram Fe-C), for example 960 [deg.] C and to keep it there for a time such that a perfect austenitization is obtained, then
to immerse it immediately in an isothermal quenching fluid bath and to keep it there long enough for the transformation of structure by pearlite formation to depend
austenite is done completely. This wire is then cooled, preferably away from air to prevent its oxidation.
The temperature of the isothermal quenching bath depends on the nature of the steel and on the structure which is desired; it is generally of the order of 560 [deg.] C for ordinary steel.
The patenting operation can be carried out according to two different embodiments:
1 [deg.] - Online patenting:
The threads are multiple and form a sheet which passes successively through the austenitization oven and into the
isothermal quenching furnace. This quenching can take place in air, in a lead bath or in a salt bath.
2 [deg.] - Patenting in crowns or bundles:
In such a process, the wires remain in rings as they come from the wire rod rolling mill and are transported from the austenitization furnace, which is of the chamber type, into a salt tank.
The on-line patenting devices known heretofore are of two different types.
In a first type, the wires coming out of the austenitization furnace are bent downwards to make them immerse in a quenching bath which is preferably formed of liquid lead. Then to get out of this bath, the threads undergo a new bending. Having to flex the wires to immerse them in and out of the quench bath limits application
from this type of process to the patenting of wires with a diameter of 15 mm or maximum.
The second type of in-line patenting process overcomes this drawback and applies the so-called cataract technique with overflow of a bath placed above a receiving tank. In this process, the wires coming out of the furnace are not deflected but pass directly into the stream of the vertical quench fluid caused by this overflow.
However, this type of process has the drawback that the cooling liquid formed by liquid lead or salts comes into contact with the atmosphere and oxidizes to rapidly become unsuitable for cooling the wires.
In addition, in the case of lead, the latter evaporates, which presents a risk of lead poisoning.
Yet another disadvantage is that lead can be entrained by the wires which prevents their correct stripping.
The patenting in crowns or in bundles also presents very important disadvantages and gives threads
of poor quality and irregular.
Indeed, it is practically impossible to obtain, in an atmosphere <EMI ID = 3.1>
measures of the oven door for the introduction of boots causing oxidation and decarburization of the wires on the surface.
As inevitably turns of coiled wires touch each other and also touch the load carrier,
the heating cycle of these contact points of the wires is not identical to that of the free surfaces of the wires, hence not insignificant variations in metallographic structure.
The bundles of threads, after their treatment in the austenization oven, must be transported to
<EMI ID = 4.1>
wires can oxidize which subsequently necessitates costly stripping causing loss of metal and deterioration.
tion of the wire surface.
The same drawbacks due to contact with
turns between themselves and with the supports of the wires are reproduced during isothermal quenching, creating a new heterogeneity of metallographic structure in the wires.
One of the essential aims of the present invention consists in overcoming the drawbacks of these known patenting processes by proposing a new in-line patenting process which makes it possible to ensure a uniform heat treatment and to apply the patenting to yarns of n '. any diameter. ;
For this purpose, according to the invention, the cooling and maintenance at a substantially constant temperature called "isothermal quenching", takes place in three successive phases, a first phase during which the peripheral layer of the wires cools rapidly. up to a temperature which is such that, in a second phase, by heating this layer, thanks to the heat accumulated in the core of the wire, the latter reaches a uniform temperature in substantially all of its section before the transformation of the wire begins. austenite in ferrite and cementite by the passage through the TTT curves of the steel of the wires, constituting the third phase.
Advantageously, the transformation of the austenite into ferrite and cementite is carried out under substantially isothermal conditions.
According to a particularly advantageous embodiment, the aforesaid cooling of the wire is carried out in a turbulent stream of liquid moving in a helical manner around the wire.
The invention also relates to an installation
patenting of steel wires, which can in particular be used for carrying out the process described above.
This installation comprises an oven for heating the wires to a temperature located in the austenite formation zone and an isothermal quenching device for the wires.
wires thus heated to the perlite formation zone. This device is characterized by the fact that it has at least one tubular space in which at least one wire can move substantially parallel to the axis of this tubular space, means being provided to create in this space a flow of liquid of . cooling in contact with this wire.
Advantageously., The tubular space is supplied at one of its ends with cooling liquid by means of a circulation pump connected between this space and a coolant reservoir, the other end being arranged so as to allow return the introduced liquid
in said space towards the aforesaid reservoir, means being provided for cooling the liquid contained in the latter.
Other details and features of the invention will emerge from the description given below, by way of non-limiting example, of a particular embodiment of the invention with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic view in elevation and in longitudinal section of a particular embodiment of a patenting installation according to the invention. Figure 2 is a section along the line II-II of Figure 1. Figure 3 is a sectional view along the line III-III of Figure 1. Figure 4 is a partial perspective view and on a larger scale of an important detail of the installation shown in FIG. 1. FIG. 5 relates to a graph showing among other things the evolution of the temperature, as a function of time, of steel wires subjected to isothermal quenching according to the invention .
In the different figures the same figures
The process for patenting steel wires, according to the invention, comprises heating the wires to the austenite formation zone followed by cooling and maintaining a substantially constant temperature.
called "isothermal quenching", in the pearlite formation zone which takes place in three successive phases, a first phase
during which the peripheral layer of the son is cooled rapidly to a temperature which is such. that, in a second phase, by reheating this layer, thanks to
the heat accumulated in the core of the yarn, the latter reaches a uniform temperature throughout substantially its entire front section
that the transformation of austenite into ferrite and cementite does not begin, which constitutes the third phase.
The transformation of austenite into ferrite
and cementite is produced under substantially isothermal conditions.
The cooling rate in the first phase of isothermal quenching is determined by the curves
of isothermal decomposition TTT of the steel of which the
the threads to be processed. This will be illustrated by the concrete example
given below.
To achieve this rapid cooling, use is made of a turbulent flow of liquid which moves in a helical manner around the wire so as to obtain a very efficient exchange of heat between the wire and the liquid.
Advantageously, the wire moving in a rectilinear direction during the aforesaid cooling, the first phase is carried out in a flow of liquid in the direction opposite to the direction of movement of the wire, the aforesaid heating
in the second phase taking place in an atmosphere of
reducing or neutral gas with respect to the steel of the wire and
coolant according to the properties that
desires to confer on the thread.
The second
aforementioned phase is followed by isothermal treatment. This isothermal treatment takes place in a current of liquid which moves in the same direction as that of the wire and enables the transformation of austenite into ferrite and cementite.
Liquid lead is particularly suitable for carrying out the aforementioned rapid cooling and isothermal treatment.
This heat treatment is then followed by a treatment for maintaining the temperature of the wire, which is regulated in such a way that there is no longer any release of heat.
in the wire during this maintenance treatment.
Finally, this maintenance treatment can be followed by cooling the wire lowering the temperature of the latter, away from air, to below its oxidation temperature, so that it can be stored without any danger. deterioration.
This process is particularly applicable
<EMI ID = 5.1>
yarns vary only between relatively narrow limits so that it has been possible to determine with some precision the conditions for patenting these yarns.
According to the invention, the peripheral layer of these son is cooled to a depth corresponding to approximately a quarter of the total section of the son and this at a temperature between 300 and 4500C, in a time of at most
2 seconds. Then, by heating this layer by means of the heat accumulated in the core of the wire, the total section of the wire is brought to a substantially homogeneous temperature which is of the order of 500 to 550 [deg.] C and this to approximately 2. at 4 seconds. This temperature is then maintained for approximately 15 to 20 seconds then the wire is cooled to below its oxidation temperature.
The patenting process according to the invention
is illustrated in a concrete way by the example given below:
Example.
A steel wire 20 mm in diameter and having
the following composition:
C: 0.81%; Mn: 0.57%; P: 0.012%; Ni: 0.09%; Sn: 0.003%; Si: 0.28%; S: 0.023%; Cr: 0.05%; Cu: 0.06%
is subjected to patenting, and in particular to isothermal quenching according to the invention.
The graph of the isothermal decomposition curves TTT a and b of the steel, shown in figure 5 is completed by a curve c representing the variation of the temperature of the outer surface of the wire as a function of time during said isothermal quenching .
This wire is heated at 1050 [deg.] C for 90 sec., So as to form austenite.
Then, the wire thus treated is cooled by a turbulent flow of lead or a liquid lead alloy, having a temperature of the order of 250 [deg.] C � which flows in the opposite direction to that. the movement of the wire.
The duration of this cooling is about 1 second. The wire undergoes abrupt surface cooling to about 330 [deg.] C. This therefore constitutes the first phase of isothermal quenching and is indicated on the graph by the
<EMI ID = 6.1>
During the second phase, the wire no longer undergoes forced external cooling, so that part of the heat accumulated in the core of the wire is propagated towards the cooled surface of the latter. This results in a certain homogenization, throughout the section of the wire,
of the temperature..
Segment L2 shows, in figure 5, the variation of. the temperature of the wire surface during this second phase. The temperature of the wire is then brought, for the theoretically isothermal treatment, up to 530 [deg.]
at 540 [deg.] C, as indicated by segment L3 on curve c. This temperature must be that which corresponds to a strong supercooling for the transformation of austenite into ferrite and cementite since this makes it possible to obtain a very fine metallographic structure.
<EMI ID = 7.1>
c corresponding to this phase, called the temperature maintenance phase.
Then, the wire is cooled to below its oxidation temperature. This last phase is visualized by the part
<EMI ID = 8.1>
Figures 1 to 4 relate to a particular embodiment of the patenting installation according to the invention allowing the implementation of the process described cidesaus.
It is about a rectilinear patenting installation which essentially comprises one or two unwinders and drawers of threads, intended to advance the thread or threads in a substantially horizontal plane in a well-determined direction, a descaling agent for the threads, an oven of austenization, an isothermal quenching furnace, a temperature maintenance furnace, a cooler, a surface treatment installation,
a dryer and one or two winders at the end of the installation for storing the treated yarns.
The unwinder-straighteners, the cooler, the surface treatment installation, the dryer and the reels have not been shown in the figures since these devices are not the subject of the present invention.
and may for example be of a conventional type.
On the other hand, the austenitization furnace and the isothermal quenching furnace have been shown in Figures 1 to 3.
The austenization oven 1 is intended to bring the wire (s) to a temperature above the point of transfer.
<EMI ID = 9.1>
time such that a perfect austenitization is obtained.
The oven shown in the figures is designed to process two wires simultaneously, which, for a given hourly tonnage, divides the speed of the wire passing through the oven by
of them.
This furnace 1 comprises a tubular heating chamber 2 with a substantially horizontal axis and internal combustion burners 3 leading to this chamber. These burners are oriented in such a way that a substantially helical flow of combustion gas is caused around the wires 4
moving substantially parallel to the axis of this chamber.
In the embodiment shown in Figures 1 and 2, the burners are mounted above the heating chamber <2> along vertical axes and open into the upper wall of this chamber.
The wall of the heating chamber 2 opposite
to that where the burners 3 open which is, in this case the bottom 5 of the chamber, has a curved shape in the form
deflector for the combustion gases injected into this chamber, so as to cause around the wires 4 the aforementioned helical current shown by arrows 6 in FIG. 2. As shown in this figure, the bottom 5 of the heating chamber has the shape of two juxtaposed half-cylinders, each of the wires passing through the axis of one of these half-cylinders. The burners 3 open out above the place on this bottom 5 where the two half-cylinders meet so that the combustion gases are deflected.
The son 4 are maintained substantially in the axis of the respective half-cylinders of the heating chamber 2 by means of supports 7 judiciously spaced. Each of these supports has a hollow guide surface of semiconical appearance, the axis of which coincides with that of the aforementioned half-cylinders and the base of which is directed towards the entrance of the furnace. Each of the
son 4 is supported in said supports at the top of their semi-conical surface. Thus, if under the influence of the heat prevailing in the furnace a wire pushed into the latter by the intermediary of the aforesaid unwinder-straighteners undergoes a bending towards
the bottom, when the front end of this wire meets the first support 7, the wire will be straightened and oriented along the axis of the semi-cylindrical surface of the part of the considered background
of the heating chamber. In the same way, if between two consecutive supports this bending is repeated, the straightening
takes place by the following medium.
Thanks to the shape of the combustion chamber 2 and the arrangement of the burners 3, an ultra-rapid heating of the wires introduced into the oven takes place.
In addition, thanks to the use of internal combustion burners, there are no contacts with wires.
gas in combustion, combustion which would give rise to chemical reactions with the wire, damaging the latter.
It is possible to adjust the power supply to the burners so that they emit slightly reducing gases to prevent oxidation of the wires.
Advantageously, in order to ensure the complete combustion of the oxygen in the air-fuel gas mixture, this mixture
<EMI ID = 10.1>
upstream of the burners a constant air-gas ratio, regardless of the flow rate and the pressure drops in the manifold between the mixer and the burners.
Since the aforementioned mixer may be of a known type,
it has not been shown in the figures despite the fact that it constitutes an essential element of the austenitizing oven according to the invention.
In fact, this property of the mixer makes it possible to heat the air-combustion gas mixture by means of the burnt gases leaving the furnace without there being any variation in the air-combustion gas ratio as a result of variations in the pressure drops in the mixture collector, due to variations in the reheating temperature of said mixture. This heating increases the temperature of the gases emitted by the burners, and thereby the heating potential of said gases.
As the quantity of heat transmitted to the wires per unit of time is very greatly increased, the austenitization of the wires is thus obtained by means of an oven of very small dimensions.
As already indicated above, the very shape of the walls of the combustion chamber 2 means that the heating gases circulating therein in a very short pitch spiral due to
the pressure prevailing in the chamber, therefore causing repeated passage of the same gas molecule a large number of times in contact with the wire.
The quantity of heat transmitted by a gas, per unit of time and per unit of surface area depends on the speed of the gas in contact with this surface according to the formula:
0.78
ab = 6.5, w
where ab = quantity of heat transmitted / unit area / unit time.
w = the speed of the heating gases.
! i <EMI ID = 11.1>
Thus, we see that ab is a function of w
and that an increase in the speed of the gases makes it possible to greatly reduce the heating time and consequently the length of the furnace.
According to the invention, the chamber 2 can be divided into two heating zones: a first pre-heating zone in which the temperature can be pushed above the final temperature desired for the yarn and a second zone called "soaking". "in which the wire reaches its austenitization temperature and remains at this temperature the time required for a complete austenitic solution.
Finally, the outlet of the chamber 2 has around the wire 4 a cable gland 8 made of ceramic fibers which withstand an operating temperature and which prevents the passage of heating gases to the furnace or isothermal quenching device 9
mounted downstream of the austenitization furnace 1.
This isothermal quenching device has a number of separate tubular spaces which is equal to the number of wires passing through the chamber 2 of the austenitization furnace 1.
Consequently, in the present case, these tubular spaces are two in number, and are juxtaposed, a wire emerging from the chamber 2 of the austenitization furnace 1 moving along the axis of each of these spaces. Means are provided to create in these spaces a current of liquid
cooling that comes into intimate contact with the wires.
Each of the spaces is divided into four successive parts 10, 11, 12 and 13 which are crossed one after the other by the wires coming out of the heating chamber
2 from oven 1.
The first part of the tubular space 10 is supplied at its rear end with cooling liquid 14 by means of a pump 15 immersed in a tank
16 containing said coolant 14. This pump
15 discharges liquid from the reservoir 16 into an accumulation tank
17 by a pipe 18 towards the end in question. The liquid is introduced into the space 10 moves in the opposite direction to the direction of movement of the wire indicated by the arrow 19 and is returned to the reservoir 16 via a pipe 20 connected to space 10 near the entrance to the latter. The reservoir
16 is closed by a floating cover 21, the edges of which are curved in a gutter 22 extending all around the cover and containing a liquid ensuring the tightness of the cover
21. This cover is advantageously cooled with pro- tective water.
<EMI ID = 12.1>
thus remove calories from the coolant contained in tank 16.
Means are provided inside the tubular space 10 for causing in the latter a turbulent flow of cooling liquid in contact with the wire 4. In general, these means may comprise ribs and / or shaped grooves. turns provided on the inner face of the tubular space 10.
In the embodiment shown in Figure 1 and in more detail in Figure 4, the aforementioned means are constituted by ribs obtained by a twisted bar 23 wound in a helical manner against the inner face of the tubular space 10.
This tubular space is extended by a second space 11, forming a chamber in which the wires
4 leaving the space 10 can move and in which means are provided to maintain an atmosphere of non-oxidizing gas vis-à-vis the steel, of which the wires are made and
coolant 14.
This chamber 11 communicates through its bottom, via an evacuation pipe 24, with the reservoir
16 to allow the cooling liquid which infiltrates into this chamber 11 to be brought back, from the space 10, through the outlet end for the wire.
The chamber 11 is completely sealed from the outside atmosphere, so that the atmosphere in this chamber can be regulated very easily.
The chamber 11 constitutes a connection between the space 10 and the space 12 in which also circulates cooling liquid, the purpose of which is however to maintain in this space 12 substantially isothermal conditions.
These means include the liquid circuit
cooling allowing to create in space 12 a
<EMI ID = 13.1>
wire 4. This circuit includes, as for space 10, a pump
25 immersed in a tank 26 containing the liquid 14, an accumulation tank connected to the inlet end of the space 12 by a pipe 28 - and a return pipe 29 provided near the outlet end of the the space 12 allowing the liquid to be returned to the reservoir 26. Thus, the liquid 14 is discharged
from the reservoir 26 into the accumulation tank 27 and from there, through the pipe 28, to the entrance of the tubular space 12 ,. this liquid then moving in the same direction as
the wire to exit through the pipe 29.
Optionally, an auxiliary heating device, not shown, is provided on the liquid circuit for the tubular space 12 in order to maintain isothermal conditions in the latter. It may for example be an electric heater regulated by thermostat.
The tubular space 13 into which the
wire directly after leaving space 12 forms the section
maintenance in which a substantially constant temperature prevails.
Finally, this space 13 is possibly followed
conventional means, not shown, - to bring the temperature of the fils.en below their oxidation temperature.
As already indicated above, molten lead is advantageously used as coolant.
The temperature of the lead circuit supplying the tubular space
10 is kept low enough so that the periphery of the wire passing through this space reaches, before it enters
the chamber 11, a temperature such that, by reheating this periphery, thanks to the heat accumulated in the core of the wire, the latter reaches a uniform temperature in its section before
begins the isothermal transformation of austenite into ferrite plus cementite. The temperature of the lead bath contained in the reservoir 16 is therefore also a function of the diameter of the treated wires.
The change in temperature in the wire passing through space 10. corresponds substantially to that indicated
<EMI ID = 14.1>
The evolution of the temperature in the room
<EMI ID = 15.1>
In the tubular space 12, isothermal energy is maintained over the entire length of the latter so as to obtain in the wire passing through this space a temperature variation corresponding to that indicated by the segment L- on the curve
c in Figure 5.
In space 13 there is no more heat release in the wire. Thus, this space can advantageously be determined by a simple metal muffle tube in which a constant temperature prevails thanks, for example, to an electric heating coil with a heat-insulating mantle covering the whole. The constant maintenance of the temperature being then obtained by a rheostat mounted in series with the heating element is controlled
by thermostat in contact with the muffle tube. These means of temperature control can be considered as classi-
<EMI ID = 16.1>
of FIG. 5 indicates the portion of the curve c which gives the evolution of the temperature in the wire crossing the space 13.
<EMI ID = 17.1>
temperature of the wire as shown by the portion of the curve 6 delimited by the segment L5 of FIG. 5. The cooling in this tube is for example obtained by water circulating in the direction opposite to the wire in a double wall of the tube.
<EMI ID = 18.1>
The aforesaid spaces are separated from each other by seals 30 extending at the inlets and outlets of these spaces in order to be able to strictly control the treatment conditions in each of these spaces.
The advantages of using closed tubular spaces in which the coolant passes
<EMI ID = 19.1>
are among others the following:
- for the same flow of lead, the speed of the latter in contact with the wire is much greater, thanks to the reduced diameter i of the tubular space, than if the wire passed through a layer of lead, hence better transmission heat,-
- the space 10 containing the aforesaid metal propeller 23 in the desired shape causes the advance of the lead in a gyratory movement ensuring the continuous renewal of the lead layer in contact with the wire and its mixing in the remainder of the lead stream circulating around the wire �
- The lead completely filling the tubular spaces 10 and 12 is withdrawn from any contact with any atmosphere and therefore cannot deteriorate.
- the flow of lead against the current in the tubular space
10 and in the same direction in the space 12 ensures the desired thermal cycle over the wire in a very rigorous manner;
- The various tubular spaces allow easy re-threading of the threads by a simple push exerted by the unwinder-dresser device placed before the descaler; the tubular space 10 has a conical entry and is connected to the tubular space 12 by a connecting tube 31 delimiting the chamber 11, the latter therefore preventing any exaggerated passage of lead from the space 10 to the space 12.
A protective atmosphere prevails above the lead levels in tanks 16 and 26, around the lead spill areas in these tanks and in the tubular space.