EP0111985A2 - Procédé de refroidissement de bandes métalliques minces - Google Patents

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EP0111985A2
EP0111985A2 EP83201820A EP83201820A EP0111985A2 EP 0111985 A2 EP0111985 A2 EP 0111985A2 EP 83201820 A EP83201820 A EP 83201820A EP 83201820 A EP83201820 A EP 83201820A EP 0111985 A2 EP0111985 A2 EP 0111985A2
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intensity
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/667—Quenching devices for spray quenching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B45/00—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills
    • B21B45/02—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills for lubricating, cooling, or cleaning
    • B21B45/0203—Cooling
    • B21B45/0209—Cooling devices, e.g. using gaseous coolants
    • B21B45/0215—Cooling devices, e.g. using gaseous coolants using liquid coolants, e.g. for sections, for tubes
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/52—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
    • C21D9/54—Furnaces for treating strips or wire
    • C21D9/56—Continuous furnaces for strip or wire
    • C21D9/573—Continuous furnaces for strip or wire with cooling

Definitions

  • the present invention relates to the forced cooling of thin metal strips, in particular steel. It relates in particular to the cooling operation carried out in the continuous heat treatment lines for thin strips.
  • the strips can, in the final state, present serious defects.
  • the strips may also have vermiculations, that is to say marks of plastic deformation, which appear when the elastic limit of the material is reached for a certain temperature of the product and when the tensile characteristic of the material has a plateau. at this temperature.
  • a first known method consists in applying cooling by air blowing, for which the heat exchange coefficient is approximately 0.15 kW / m 2 ° C. This is a fairly slow cooling, which requires a long period of application and therefore the use of long cooling installations. The consumption of compressed air and the cost of the operation are consequently high.
  • Another cooling method which consists in immersing the thin strip in water maintained at its boiling temperature.
  • the heat exchange coefficient is approximately 0.28 kW / m 2 ° C in the film boiling range, that is to say when the surface temperature of the product is above 300 ° C. Below this temperature, the heat exchange coefficient increases very quickly and cooling by immersion in boiling water does not always make it possible to obtain a flat strip free of vermiculations. In addition, this cooling is also quite slow and has in this respect the same drawbacks as cooling by air blowing.
  • the subject of the present invention is a method making it possible to remedy the drawbacks which have just been mentioned.
  • the method of the invention ensures intense cooling of the strip, while making it possible to obtain a quality product, having excellent flatness and free from vermiculations.
  • the process which is the subject of the present invention, in which a thin metal strip is subjected to cooling sement by spraying a refrigerant, is essentially characterized in that said cooling comprises a phase, called low intensity, during which the heat exchange coefficient defined at 6 00 ° C is less than 3 k W / m 2 ° C , and a phase, called high intensity, during which the heat exchange coefficient defined at 6 00 ° C is greater than 3 kw / m2 ° C.
  • the cooling phase is carried out first at low intensity, until the strip has reached a predetermined temperature, and then the cooling phase at high intensity.
  • an additional cooling phase called an intermediate intensity phase, which is preferably situated between the low intensity phase and the high intensity phase.
  • the strip it has been found to be particularly advantageous to cool the strip by means of jets, for example of water, arranged so as to cover the entire surface of the strip.
  • jets for example of water
  • the water may possibly be hot and / or sprayed in the form of a mist.
  • the difference in intensity being obtained by adjusting the total flow of refrigerant in each phase.
  • This adjustment can be performed by modifying either the number of coolant jets, or the flow rate of the various jets by any means known per se.
  • the strip A moving in the direction of the arrow B is subjected to the action of water jets arranged in staggered rows, of which only the three jets of axis perpendicular to the strip at points C, D and E are shown.
  • Figures 2 to 5 reflect the results obtained by a cooling operation, either only at high intensity (fig. 2 and 3), or only at low intensity (fig. 4 and 5).
  • FIG. 2 shows the curves O to 5 giving the evolution of the heat flux density as a function of the surface temperature of the strip, corresponding respectively to the points O to 5 indicated in FIG. 1. These curves reflect high intensity cooling for which the average heat exchange coefficient is 3.8 kW / m 2 ° C to 600 ° C.
  • FIG. 3 shows the evolution of the stresses of thermal origin, superimposed on the traction in the strip (2 0 N / mm 2 ), as a function of the surface temperature of the strip, still in the case of cooling. at high intensity of FIG. 2. These curves show that it develops in the band, compressive stresses (line passing through point O) and tensile stresses (line passing through point 4). It also appears that the maximum difference between the tensile and compressive stresses is manifested for a temperature of the strip of the order of 300 ° C.
  • This FIG. 3 also shows the evolution of the elastic limit Re of the strip, as a function of its temperature, as well as the point M of the appearance of the bearing in the traction curve.
  • Figure 4 shows the curves reflecting the evolution of the heat flux density as a function of the surface temperature of the strip, respectively at points O to 5 of Figure 1. The difference between the curves also reveals a fairly heterogeneous cooling sensitive, but weaker however than in the case of FIG. 2.
  • Figure 5 shows that the maximum difference between the tensile and compressive stresses is significantly less than in Figure 3. In addition, these stresses at no point exceed the elastic limit of the material. The strips cooled at low intensity therefore do not exhibit any defect in flatness or vermiculations. On the other hand, the cooling length necessary to reach a temperature below 170 ° C is equal to 1.61 m. It is therefore 2.2 times higher than in the case of high-intensity cooling, which leads to an increased total consumption of cooling agent.
  • FIG. 6 shows the evolution of the maximum difference ⁇ between the maximum tensile and compression stresses in the strip, as a function of the interruption temperature of phase I.
  • the points of breakthrough of the axes of the jets of phase II are aligned with those of phase I according to straight lines parallel to the longitudinal axis of the strip.
  • This case is illustrated by curve 1 in FIG. 6.
  • the interruption temperature is less than 300 ° C., it is brought back to the case where the cooling is entirely carried out in phase I; below this temperature of 300 ° C, the value of ⁇ max remains constant and equal to 78 N / mm 2 .
  • An intermediate interruption temperature of 450 ° C leads to a maximum ⁇ of 8 7 N / mm 2 .
  • the jets of phase I I are offset transversely by half a step with respect to those of phase I.
  • This case corresponds to curve 2 of FIG. 6.
  • the points corresponding to temperatures of 750 ° C on the one hand and less than 300 ° C on the other hand, are identical to those of curve 1. It is noted however that when the interruption temperature is between 580 ° C and 300 ° C, the value of ⁇ max is less than the lowest achievable value in the first case (curve 1). For an interruption temperature of 450 ° C, ⁇ max is 56 N / mm 2 .
  • the phases I and I I must have respective lengths of 0.88 m and 0.30 m, ie a total length of 1, 18 m.
  • the method of the invention therefore makes it possible to reduce the duration of cooling, in this case by 27%, and consequently the consumption of refrigerant, compared to low intensity cooling, while avoiding the appearance of flatness defects. and worms in the strips.
  • This value of 78 N / mm 2 corresponds to the lowest value achievable by low intensity cooling (curve 1), - but with a length of 1 m instead of 1.61 m, a reduction of 38%. ''

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Abstract

On refroidit une bande métallique mince A, en mouvement selon la flèche B, par projection d'eau sur la surface de la bande. Le refroidissement comporte une première phase, dite à basse intensité et une seconde phase, dite à haute intensité, au cours desquelles le coefficient d'échange de chaleur, défini à 600°C, est respectivement inférieur et supérieur à 3 kW/m2 °C. La phase à basse intensité est interrompue à une température comprise entre 350°C et 600°C. Les jets d'eau sont de préférence disposés en quinconce, par exemple aux points C,D,E.

Description

  • La présente invention concerne le refroidissement forcé de bandes métalliques minces, en particulier en acier. Elle vise notamment l'opération de refroidissement pratiquée dans les lignes continues de traitement thermique des bandes minces.
  • On sait que si le refroidissement appliqué n'est pas homogène, les bandes peuvent, à l'état final, présenter de graves défauts. A cet égard, on peut citer le manque de planéité, qui se manifeste lorsque les tensions ont dépassé localement la limite d'élasticité du matériau pendant le refroidissement. Les bandes peuvent également présenter des vermiculures, c'est-à-dire des marques de déformation plastique, qui apparaissent lorsque la limite d'élasticité du matériau est atteinte pour une certaine température du produit et que la caractéristique de traction du matériau présente un palier à cette température.
  • Pour tenter de prévenir l'apparition de ces deux types de défauts, on a déjà proposé divers procédés mettant en oeuvre des méthodes pour un refroidissement relativement doux.
  • Une première méthode connue consiste à appliquer un refroidissement par soufflage d'air, pour lequel le coefficient d'échange de chaleur vaut environ 0,15 kW/m2 °C. Il s'agit d'un refroidissement assez lent, qui nécessite une longue durée d' application et par conséquent l'utilisation d'installation de refroidissement de grande longueur. La consommation d'air comprimé et le coût de l'opération sont en conséquence élevés.
  • On connaît une autre méthode de refroidissement qui consiste à immerger la bande mince dans de l'eau maintenue à sa température d'ébullition. Dans ce cas, le coefficient d'échange de chaleur vaut environ 0,28 kW/m2 °C dans le domaine de l'ébullition en film, c'est-à-dire lorsque la température de surface du produit est supérieure à 300°C. En dessous de cette température, le coefficient d'échange de chaleur croit très rapidement et le refroidissement par immersion dans l'eau bouillante ne permet pas toujours d'obtenir une bande plane et exempte de vermiculures. En outre, ce refroidissement est également assez lent et présente à cet égard les mêmes inconvénients que le refroidissement par soufflage d'air.
  • La présente invention a pour objet un procédé permettant de remédier aux inconvénients qui viennent d'être mentionnés. A cet effet, le procédé de l'invention assure un refroidissement intense de la bande, tout en permettant d'obtenir un produit de qualité, présentant une excellente planéité et exempt de vermiculures.
  • Le procédé qui fait'l'objet de la présente invention, dans lequel on soumet une bande métallique mince à un refroidissement par projection d'un agent réfrigérant, est essentiellement caractérisé en ce que le dit refroidissement comporte une phase, dite à basse intensité, au cours de laquelle le coefficient d'échange de chaleur défini à 600°C est inférieur à 3 kW/m2 °C, et une phase, dite à haute intensité, au cours de laquelle le coefficient d'échange de chaleur défini à 600°C est supérieur à 3 kw/m2 °C.
  • Selon une mise en oeuvre intéressante du procédé de l'invention, on exécute en premier lieu la phase de refroidissement à basse intensité, jusqu'à ce que la bande ait atteint une température prédéterminée, et ensuite la phase de refroidissement à haute intensité. .
  • Egalement selon l'invention, il a été trouvé avantageux d'interrompre la première phase de refroidissement lorsque la surface de la bande a atteint une valeur comprise entre 350°C et 600°C.
  • Toujours selon l'invention, il peut être intéressant de prévoir une phase de refroidissement supplémentaire, dite à intensité intermédiaire, qui se situe de préférence entre la phase à basse intensité et la phase à haute intensité.
  • Dans le cadre de l'invention, il s'est avéré particulièrement intéressant de refroidir la bande au moyen de jets, par exemple d'eau, disposés de façon à couvrir la totalité de la surface de la bande. L'eau peut éventuellement être chaude et/ou projetée sous forme d'un brouillard.
  • Dans ce cas, il est intéressant d'utiliser le même agent réfrigérant dans les diverses phases de refroidissement, la différence d'intensité étant obtenue en ajustant le débit total d'agent réfrigérant de chaque phase. Cet ajustement peut être effectué en modifiant soit le nombre de jets d'agent réfrigérant, soit le débit des divers jets par tout moyen connu en soi.
  • A titre d'exemple, on va décrire à présent une application du procédé de l'invention au refroidissement en deux phases d'une bande mince au moyen de jets d'eau, en faisant référence aux figures annexées.
  • Dans cet exemple, une bande en acier doux de 0,7 mm d'épaisseur et se déplaçant à une vitesse de 109 m/min., est refroidie depuis 750°C jusqu'à une température inférieure à 170°C.
  • Sur la figure 1, la bande A se déplaçant dans la direction de la flèche B, est soumise à l'action de jets d'eau disposés en quinconce, dont seuls les trois jets d'axe perpendiculaire à la bande aux points C, D et E sont représentés. On a également indiqué 5 points, numérotés O, 1, 2, 3, et 4 situés à distance croissante du point C, ainsi qu'un point 5 situé à égale distance des points C, D et E.
  • Les figures 2 à 5 traduisent les résultats obtenus par une opération de refroidissement, soit uniquement à haute intensité (fig. 2 et 3), soit uniquement à basse intensité (fig. 4 et 5).
  • La figure 2 montre les courbes O à 5 donnant l'évolution de la densité de flux calorifique en fonction de la température superficielle de la bande, correspondant respectivement aux points O à 5 indiqués à la figure 1. Ces courbes traduisent un refroidissement à haute intensité pour lequel le coeffi-- cient d'échange de chaleur moyen vaut 3,8 kW/m2 °C à 600°C.
  • Ces courbes sont séparées les unes des autres, ce qui révèle une hétérogénéité sensible du refroidissement appliqué.
  • on a représenté à la figure 3, l'évolution des contraintes d'origine thermique, superposées à la traction dans la bande (20 N/mm2), en fonction de la température superficielle de la bande, toujours dans le cas du refroidissement à haute intensité de la figure 2. Ces courbes montrent qu'il se développe dans la bande, des contraintes de compression (ligne passant par le point O) et des contraintes de traction (ligne passant parle point 4). Il apparaît également que la différence maximale entre les contraintes de traction et de compression se manifeste pour une température de la bande de l'ordre de 300°C. Sur cette figure 3, on a également représenté l'évolution de la limite d'élasticité Re de la bande, en fonction de sa température, ainsi que le point M d'apparition du palier dans la courbe de traction.
  • L'examen de ces courbes montre qu'au voisinage du point d'apparition du palier, la contrainte de traction est supérieure à la limite d'élasticité. Il en résulte que la bande traitée de cette façon présente un défaut de planéité ainsi que des vermiculures. On calcule que dans ces conditions, la longueur de refroidissement nécessaire pour ramener la bande à une température inférieure à 170°C est égale à 0,73 m.
  • Une bande identique, se déplaçant également à une vitesse de 109 m/min., a été soumise à un refroidissement à basse intensité, avec un coefficient d'échange de chaleur moyen de 1,9 kW/m2 °C à 600"C.
  • La figure 4 montre les courbes traduisant l'évolution de la densité de flux calorifique en fonction de la température superficielle de la bande, respectivement aux points O à 5 de la figure 1. L'écart entre les courbes révèle également une hétérogénéité de refroidissement assez sensible, mais plus faible cependant que dans le-cas de la figure 2.
  • La figure 5 montre que la différence maximale entre les contraintes de traction et de compression est nettement-moins importante qu'à la figure 3. En outre, ces contraintes ne dépassent en aucun point la limite d'élasticité du matériau. Les bandes refroidies à basse intensité ne présentent donc pas de défaut de planéité ni de vermiculures. En revanche, la longueur de refroidissement nécessaire pour atteindre une température inférieure à 170°C est égale à 1,61 m. Elle est donc 2,2 fois plus élevée que dans le cas du.refroidissement à haute intensité, ce qui entraîne une consommation totale accrue d'agent de refroidissement.
  • La même bande a enfin été soumise au procédé de refroidissement conforme à l'invention, comportant une phase I à basse intensité suivie d'une phase II à haute intensité. La figure 6 montre l'évolution de la différence maximale Δσ entre les max contraintes de traction et de compression dans la bande, en fonction de la température d'interruption de la phase I.
  • Dans un premier cas, les points de percée des axes des jets de la phase II sont alignés avec ceux de la phase I selon.des droites parallèles à l'axe longitudinal de la bande. Ce cas est illustré par la courbe 1 de la figure 6. Le point P de cette courbe correspond à une interruption de la phase I à 750°C; le refroidissement se déroule tout entier en phase II et conduit à Δσmax = 172 N/mm2. Si, par contre la température d'interruption est inférieure à 300°C, on est ramené au cas où le refroidissement est entièrement effectué en phase I; en deça de cette température de 300°C, la valeur de Δσmax reste constante et égale à 78 N/mm2. Une température intermédiaire d'interruption de 450°C conduit à un Δσmax de 87 N/mm2.
  • Dans une seconde disposition, les jets de la phase II sont décalés transversalement d'un demi-pas par rapport à ceux de la phase I. Ce cas correspond à la courbe 2 de la figure 6. Les points correspondant aux températures de 750°C d'une part et de moins de 300°C d'autre part, sont identiques à ceux de la courbe 1. On constate cependant que lorsque la température d' interruption est comprise entre 580°C et 300°C, la valeur de Δσmax est inférieure à la plus basse valeur réalisable dans le premier cas (courbe 1). Pour une température d'interruption de 450°C, Δσmax vaut 56 N/mm2.
  • Pour réaliser une température d'interruption de 450°C dans le cas de cette seconde disposition des jets, les phases I et II doivent avoir des longueurs respectives de 0,88 m et 0,30 m, soit une longueur totale de 1,18 m.
  • Le procédé de l'invention permet donc de réduire la durée du refroidissement, dans ce cas de 27 %, et par conséquent la consommation d'agent réfrigérant, par rapport au refroidissement à basse intensité, tout en évitant l'apparition de défauts de planéité et de vermiculures dans les bandes.
  • Il est possible, par le procédé de l'invention, de réduire encore la longueur, donc la durée du refroidissement sans altérer la qualité de la bande. La courbe 2 donne, pour une température d'interruption de 580°C, un Δσmax égal à 78 N/mm 2, mais ne nécessite qu'une longueur de 0,53 m (phase I) + 0,47 m (phase II) = 1 m, pour atteindre une température finale inférieure à 170°C. Cette valeur de 78 N/mm2 correspond à la valeur la plus basse réalisable par un refroidissement à basse intensité (courbe 1),-mais avec une longueur de 1 m au lieu de 1,61 m, soit une réduction de 38 %. '

Claims (6)

1. Procédé de refroidissement d'une bande métallique mince en mouvement, par projection d'un agent réfrigérant sur la surface de la bande, caractérisé en ce que le dit refroidissement comporte une phase, dite à basse intensité, au cours de laquelle le coefficient d'échange de chaleur défini à 600°C est inférieur ou égal à 3 kW/m2 °C, et une phase, dite à haute intensité, au cours de laquelle le coefficient d'échange de chaleur est supérieur à 3 kW/m2 °C.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on exécute en premier lieu la dite phase à basse intensité, jusqu'à ce que la bande ait atteint une température prédéterminée, dite température d'interruption, et ensuite la dite phase à haute intensité à partir de cette température d'interruption.
3. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on choisit la dite température d'interruption entre environ 350°C et environ 600°C.
4. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications-1 ou 2, caractérisé en ce que l'on exécute une phase de refroidissement, dite à intensité intermédiaire, entre la dite phase à basse intensité et la dite phase à haute intensité.
5. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on utilise, comme agent réfrigérant, de l'eau, éventuellement chaude, de préférence sous la forme de jets coniques pleins.
6. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on utilise comme agent réfrigérant, un brouillard d'eau et d'air.
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