EP1538228A1 - Procédé et Dispositif de refroidissement d'une bande d'acier - Google Patents

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EP1538228A1
EP1538228A1 EP03447278A EP03447278A EP1538228A1 EP 1538228 A1 EP1538228 A1 EP 1538228A1 EP 03447278 A EP03447278 A EP 03447278A EP 03447278 A EP03447278 A EP 03447278A EP 1538228 A1 EP1538228 A1 EP 1538228A1
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EP
European Patent Office
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tubes
cooling
strip
band
cooling fluid
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03447278A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Stéphane Lecomte
André Fouarge
Denis Bouquegneau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ArcelorMittal France SA
Original Assignee
Cockerill Sambre SA
USINOR SA
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Publication date
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    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/63—Quenching devices for bath quenching
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    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/667—Quenching devices for spray quenching

Definitions

  • the present invention relates to a device for carrying out the cooling of a steel strip, as part of an annealing process continuously.
  • this cooling is achieved by means of submerged water jets.
  • This operation of cooling can be carried out consecutively to a first cooling operation in a water bath boiling.
  • Continuous annealing is a treatment thermochemical that is applied to steel strips after cold rolling.
  • the "strip" of steel is the product steel industry which, when cut, will produce used metal sheets especially for the manufacture of automobile bodies, carcasses of household appliances, etc.
  • the continuous annealing process consists of scroll the steel strip in an oven where it is exposed to controlled heating and cooling.
  • steel strip circulates vertically, according to a series of successive strands, amounts and descendants, and thus scrolls sequentially through the various stages of treatment.
  • the cooling phase plays a particularly crucial role since it allows, in some cases, reduce the concentration of elements expensive alloys needed to achieve particular microscopic structures, such as of type "dual phase", multiphase, "HLE” (High Limit Elastic), etc.
  • the cooling process corresponds therefore to a metallurgical and economic issue not negligible.
  • the temperature of the band of steel at the outlet of the boiling water bath must remain greater than about 300 ° C.
  • the temperature of the band becomes lower at this temperature, the film of steam becomes unstable and one goes into boiling called nucleus.
  • nucleus In the latter regime, neighboring regions of the strip are subjected to different heat fluxes, which creates important temperature differences. These temperature gradients induce in the steel of mechanical constraints, which may create plastic deformations, therefore permanent and to lead to flatness defects.
  • the strip is first cooled in a water bath whose temperature is above 60 ° C, up to temperature between 200 and 500 ° C, range of temperatures in which occurs the transition between film boiling and nucleate boiling.
  • a water bath whose temperature is above 60 ° C, up to temperature between 200 and 500 ° C, range of temperatures in which occurs the transition between film boiling and nucleate boiling.
  • JP-A-60 009834 uses a set of cooling ramps, arranged on both sides of the steel strip, and immersed in a water tank whose temperature is between 60 and 70% of the boiling temperature. For a configuration given the spray bars, a laminar flow is generated, which avoids the formation of a film of steam in the vicinity of the steel strip.
  • Another document proposes to use the jets impact pressure in order to eliminate the deformations of the band during quenching (see JP-A-11 193418).
  • the applicant recommends applying on both sides of the steel strip a pressure of at least 500 N / cm 2 .
  • the present invention aims to achieve a so-called quenching operation, typically at a speed greater than 1000 ° C / s, applicable to flat metallurgical materials, preferably of steel, in the form of cold rolled strips.
  • This quenching operation must be carried out works by means of jets of cold water, whose temperature is preferably between 0 ° C and 50 ° C, said jets being immersed.
  • the aim of the invention is to ensure conditions of cooling as homogeneous as possible over the entire width of the steel band, by the mastery of the flows within the device.
  • the temperature of the band at the entrance the device must be between 750 ° C and 350 ° C and the temperature at the outlet must be between 0 ° C and 150 ° C.
  • a first object of the present invention a cooling device, to achieve a quenching operation during the annealing treatment continuous operation of a flat product or metallurgical strip, preferably a steel strip, characterized in that said device comprises a plurality of tubes arranged essentially horizontally and symmetrically from on both sides of the strip along the project a cooling fluid to the band at through a slot or a plurality of holes.
  • the fluid of cooling is liquid water maintained at a temperature below 50 ° C.
  • the device is located in essentially vertical strand (angular deviation from vertically less than 30 °), rising or falling and more preferably, the device is located in strand vertical amount while being directly preceded by a water tank at the boiling point.
  • the invention will advantageously be work on an installation where the metallurgical product at treat has a scroll speed between 0.25m / s and 20m / s, and a thickness of between 0.1mm and 10mm.
  • An important feature of the invention lies in the fact that the cooling tubes are dimensioned in such a way that the ejection speed of the cooling fluid is homogeneous over the entire bandwidth.
  • the ratio between the passage section of a tube and the free section of this tube is greater than 1
  • the speed distribution is such that the relative difference between the maximum speed (V max ) and the minimum speed (v min ) of ejection according to the width of the tube is less than 5% or ⁇ max - ⁇ min ⁇ max ⁇ 0.05.
  • the cooling tubes are immersed.
  • said tubes have a rectangular section.
  • the report from one side to the adjacent side of the section rectangular is between 0.1 and 10 and the thickness tubes is between 0.25 times and 10 times the diameter of the holes or the thickness of the slot, in order to control the consistency of the jet, the ratio between the thickness tubes and the diameter of the holes being if necessary still preferably equal to 2/3.
  • said device is provided in its part lower sealing means, preferably an airlock double pair of rollers, allowing both the passage of the band and the creation of a limiting pressure drop at least the leaks down the box of cooling.
  • the distance (A) between each tube and the band is between 50mm and 200mm.
  • the invention advantageously makes it possible to avoid local boiling phenomena by choosing a specific flow rate of the cooling fluid on one side of the strip of between 250 and 1000 m 3 per hour and per m 2 .
  • the maximum specific flow per face was about 580 m 3 per hour per m 2 .
  • the coolant injected by the tubes is evacuated between them, the distance (B) between two successive tubes being identical for all the tubes, the pressure drop being less than 150mm from water column.
  • the device for cooling system is provided with a weir whose height is at least that of the upper jet, so that all jets are immersed.
  • the upper tube is equipped a dam whose height is at least equal to the sum from the thickness of the water slide (H) to the weir and the water column height ( ⁇ H) corresponding to the loss of load between the tubes at maximum flow rate.
  • the tubes are fed with fluid from cooling starting with the most tube lower, or halfway up the plurality of tubes, said tubes being optionally calibrated to compensate load losses.
  • a second subject of the present invention relates to a quenching process during the continuous annealing treatment of a flat product or a metallurgical strip, preferably a steel strip, using a device according to any one of the preceding claims, to achieve a cooling power of between 1000kW / m 2 and 10000kW / m 2 per face of metallurgical product.
  • the temperature of the band at the input of the device is between 350 ° C and 750 ° C and the temperature at the outlet is between 50 ° C and 450 ° C, preferably between 50 ° C and 100 ° C or between 350 and 450 ° C.
  • Figure 1 schematically represents a sectional view of the cooling device according to the present invention.
  • Figure 2 schematically represents a provision of the holes for the projection of water on the steel strip in the device of the present invention.
  • FIG. 3 graphically illustrates the thermal performance of the cooling device according to the invention.
  • FIG. 4 illustrates the performances of said device in terms of flatness of the steel strip.
  • Figures 5 and 6 illustrate the impact of the uniformity of cooling on the homogeneity of mechanical properties of the steel strip.
  • Figure 5 relates to a steel of the family "dual phase”
  • Figure 6 relates to a steel of the family of steels Multiphase.
  • Figure 7 gives schematically the different positions of the specimens taken according to the width of the sheet, for carrying out the tests relating to Figures 5 and 6.
  • Figure 8 shows the parameters allowing to calculate the index of flatness, these parameters characterizing the sinusoid to which is assimilated the longitudinal profile of the strip at the edge.
  • the device for cooling consists of a set of tubes 1, so-called “ramps” or “cooling ramps”, arranged symmetrically on both sides of the steel strip cool. These ramps are submerged and fed laterally in cooling fluid. Their section is preferably rectangular. In the rest of the presentation the invention, the terms “tubes” and “ramps” will be indistinctly used.
  • this sealing system located in the lower part of the device, which allows both the passage of the band of steel 2 and the creation of a maximum pressure drop of in order to minimize the leakage rate of the fluid from cooling down the box.
  • this sealing system consists of a double pair of rollers 3, applied against the band of steel and positioned symmetrically thereto. Between the rollers, we inject a fluid that we can check the pressure and / or the temperature.
  • Cooling ramps are located at a distance A from the pass line of the band 2. For reasons of space, on the one hand, and in order to limit the total flow in the system, for equivalent performance, on the other hand, the distance maximum between the band and the cooling ramps is fixed at 200mm.
  • a space B is left between two ramps successive stages so that the water injected by the ramps can to be evacuated between them. This guarantees a flow as homogeneous as possible according to the width of the band steel.
  • the choice of distance B results from a compromise between a specific cooling power P maximum, the specific power being defined as the cooling power per unit area and per tape face to cool, and a minimal pressure drop through the evacuation channels, in order to ensure a sufficiently fast renewal of the fluid of cooling in the vicinity of the sheet, and thus avoid the formation of local boiling zones in the vicinity of the bandaged.
  • the distance B is chosen identical between two successive ramps for all ramps, to ensure identical flow conditions in front of all the spray booms. This allows to obtain a vertical homogeneity of the flow. In this way, the cooling fluid injected by a given ramp is evacuated through channels directly adjacent to this ramp. This avoids creating preferential paths and the passage time of the fluid is minimized cooling in the vicinity of the band, still for avoid local formation of boiling zones.
  • Each cooling ramp 1 is provided, on the face exposed to the strip, of at least one slot or a set of holes, as shown in the FIG. 2, intended for the projection of the fluid of cooling to the tape.
  • the distance between two holes successive ones must be such that flow in the near neighborhood of the band can be likened to that of a slot.
  • the ejection speed of the fluid must be sufficient to avoid forming boiling zones in the vicinity Of the band.
  • This ejection speed V is chosen in function of the distance A with respect to the band and is typically between 0 and 10 m / s.
  • the device or cooling box Downstream of the evacuation channels, the device or cooling box includes a spillway 4, over the entire width of the box and whose height corresponds to the jet level of the last ramp, which guarantees that under all conditions of operation, the last ramp is submerged at the same title than the others.
  • the cooling performances of the device were measured under industrial conditions by thermal balance on the basis of the following quantities: temperatures of the steel strip at the inlet and the outlet of the device, length of the section cooling and scrolling speed of the steel strip through the device.
  • Figure 3 shows that the specific cooling power, expressed in kW per square meter and per strip face, is a linear function of the specific flow rate, itself expressed in cubic meters per hour and per square meter for the two cumulative faces. Under the conditions envisaged here, the specific power is between 4000 and 6000kW / m 2 and per product face.
  • Figure 4 illustrates the performance of the device with regard to the flatness of the band steel. They are the image of the homogeneity of the cooling and therefore the control of flows in the device. The characterization of the flatness concerns here long banks.
  • Each point of the figure represents an operating point of the device - defined by the specific cooling power associated - at a given moment during the test campaign industrial.
  • a flatness index expressed in "I" units.
  • An "I” unit corresponds to a relative elongation of 1mm per 100m of steel band.
  • the longitudinal profile of the strip at the edge can be likened to a sinusoid, of wavelength L and of amplitude X.
  • FIGS. 5 and 6 there is shown respectively the breaking load, the yield stress (Fig. 6 only) and the elongation at 80% of the load break. It can be concluded from these observations that there is a good homogeneity of the mechanical properties according to width of the band.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif de refroidissement, au moyen de jets immergés, pour réaliser une opération de trempe lors du traitement de recuit en continu d'un produit plat ou une bande métallurgique, de préférence une bande d'acier, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend une pluralité de tubes (1) disposés de manière essentiellement horizontale et symétriquement de part et d'autre de la bande (2) le long de celle-ci et qui projettent un fluide de refroidissement vers la bande au travers d'une fente ou d'une pluralité de trous. <IMAGE>

Description

Objet de l'invention
La présente invention se rapporte à un dispositif destiné à la mise en oeuvre du refroidissement d'une bande d'acier, dans le cadre d'un processus de recuit en continu. En particulier, ce refroidissement est réalisé au moyen de jets d'eau immergés. Cette opération de refroidissement peut être réalisée consécutivement à une première opération de refroidissement dans un bain d'eau bouillante.
Etat de la technique
Le recuit continu est un traitement thermochimique que l'on applique aux bandes d'acier après le laminage à froid. La "bande" d'acier est le produit sidérurgique qui, découpé, donnera des tôles utilisées notamment pour la fabrication des carrosseries automobiles, des carcasses d'appareils électroménagers, etc.
Le procédé de recuit continu consiste à faire défiler la bande d'acier dans un four où elle est exposée à un chauffage et à un refroidissement contrôlés. Dans le four de recuit continu, la bande d'acier circule verticalement, selon une série de brins successifs, montants et descendants, et défile ainsi séquentiellement au travers des diverses étapes du traitement.
Le traitement de la bande dans le four comprend généralement les étapes thermiques successives suivantes :
  • préchauffage et chauffage : la bande atteint une température de 700 à 850°C en 2 à 3 minutes ;
Le traitement de la bande dans le four comprend généralement les étapes thermiques successives suivantes :
  • préchauffage et chauffage : la bande atteint une température de 700 à 850°C en 2 à 3 minutes ;
  • maintien à la température maximale durant 1 minute environ ;
  • refroidissement lent, par exemple à l'eau bouillante ;
  • refroidissement rapide (appelé "trempe"), par exemple par eau sous forme liquide projetée sur la bande à une température pouvant aller au maximum jusqu'à sa température d'ébullition.
  • survieillissement ;
  • refroidissement final.
Ces différentes étapes sont nécessaires à la mise en oeuvre du traitement métallurgique visé, à savoir la recristallisation, la précipitation des carbures, l'obtention des structures finales ou encore l'obtention d'un acier non vieillissant, etc.
En particulier, ces dernières années, on a vu l'émergence d'une demande accrue, émanant notamment de l'industrie automobile, pour des tôles d'acier présentant simultanément des propriétés de résistance et de formabilité améliorées.
Dans ce cadre, la phase de refroidissement joue un rôle particulièrement crucial puisqu'elle permet, dans certains cas, de réduire la concentration en éléments d'alliage coûteux nécessaires à la réalisation de structures microscopiques particulières, comme par exemple de type "dual phase", multiphase, "HLE" (Haute Limite Elastique), etc. Le procédé de refroidissement correspond donc à un enjeu métallurgique et économique non négligeable.
Les principales technologies de refroidissement appliquées industriellement sont :
  • le refroidissement par jets de gaz ;
  • l'immersion dans un bain d'eau, éventuellement "agitée" ;
  • le refroidissement par passage sur des rouleaux refroidis ;
  • le refroidissement par jets d'eau ;
  • le refroidissement par un brouillard d'eau créé par pulvérisation au moyen d'un gaz supersonique, cette technologie étant appelée "misting jet".
Par le passé, la Demanderesse a développé un procédé de refroidissement qui consiste à immerger la bande d'acier dans un bain d'eau proche de sa température d'ébullition. Bien que ce procédé soit caractérisé par une homogénéité de refroidissement exceptionnelle et par un coefficient de transfert thermique constant quelles que soient les conditions de la ligne, il possède également certaines limitations.
D'une part, les vitesses de refroidissement qu'il est possible d'atteindre sont relativement faibles, à savoir environ 50°C/s pour une bande d'acier de 1mm d'épaisseur. Cette limitation provient du fait que lorsqu'une bande d'acier est immergée à haute température dans un bain d'eau bouillante, il se forme au voisinage de sa surface un film de vapeur stable, dans un régime dit de "caléfaction", qui limite considérablement les échanges thermiques. On entend par caléfaction la présence d'un film de vapeur, engendré par ébullition importante, entre une paroi chaude et un fluide qui est soit un liquide, soit un mélange diphasique de liquide et de vapeur, cette présence ayant pour conséquence un mauvais transfert de chaleur entre la paroi et le fluide.
D'autre part, la température de la bande d'acier à la sortie du bain d'eau bouillante doit rester supérieure à 300°C environ. Lorsque la température de la bande devient inférieure à cette température, le film de vapeur devient instable et on passe en régime d'ébullition dite nucléée. Dans ce dernier régime, des régions voisines de la bande sont soumises à des flux de chaleur différents, ce qui crée des différences de température importantes. Ces gradients de température induisent dans l'acier des contraintes mécaniques, qui risquent de créer des déformations plastiques, donc permanentes et de mener à des défauts de planéité.
Des solutions ont été proposées afin de pallier ces défauts. On peut par exemple immerger la bande d'acier dans un bain d'eau froide statique. Mais cette solution conduit également à l'apparition de défauts de planéité.
D'autres solutions ont été avancées, qui consistent à refroidir la bande d'acier au moyen de jets immergés, afin d'empêcher la formation locale de zones d'ébullition dans le voisinage de celle-ci. Ces systèmes de refroidissement peuvent être ou non précédés par un refroidissement plus lent, de type "gas jet cooling" ou immersion dans un bain d'eau statique.
Ainsi, dans la demande de brevet JP-A-58 039210, la bande est d'abord refroidie dans un bain d'eau dont la température est supérieure à 60°C, jusqu'à une température comprise entre 200 à 500°C, gamme de températures dans laquelle se produit la transition entre l'ébullition en film et l'ébullition nucléée. On préconise alors de refroidir la bande juste avant ou juste après la transition au moyen de jets d'eau immergés jusqu'à ce que la bande atteigne la température du bain.
Une solution similaire (JP-A-60 009834) utilise un ensemble de rampes de refroidissement, disposées de part et d'autre de la bande d'acier, et immergées dans une cuve d'eau dont la température est comprise entre 60 et 70% de la température d'ébullition. Pour une configuration donnée des rampes d'aspersion, un écoulement laminaire est généré, ce qui permet d'éviter la formation d'un film de vapeur au voisinage de la bande d'acier.
Une autre solution consiste encore à faire circuler de l'eau entre deux plaques planes parallèlement et à contre-courant par rapport au sens de défilement de la bande (EP-A-210847, JP-A-63 145722, JP-A-62 238334).
Un autre document propose d'utiliser la pression d'impact des jets afin de supprimer les déformations de la bande lors de la trempe (voir JP-A-11 193418). Le déposant préconise d'appliquer de part et d'autre de la bande d'acier une pression d'au moins 500N/cm2.
Enfin, il est également possible de contrôler le refroidissement au moyen d'additifs dans le bain de trempe, de manière à éviter l'ébullition et ainsi limiter le niveau des contraintes internes dans l'acier lors de la trempe (JP-A-57 085923).
Bien que de nombreuses solutions aient été avancées, l'obtention simultanée de performances thermiques élevées et d'une bonne planéité en sortie de refroidissement rapide par voie liquide reste à ce jour un défi majeur.
Buts de l'invention
La présente invention vise à réaliser une opération dite de trempe, typiquement à une vitesse supérieure à 1000°C/s, applicable à des produits métallurgiques plats, de préférence en acier, sous forme de bandes laminées à froid.
Cette opération de trempe doit être mise en oeuvre au moyen de jets d'eau froide, dont la température est de préférence comprise entre 0°C et 50°C, lesdits jets étant immergés.
L'invention vise à assurer des conditions de refroidissement aussi homogènes que possible sur toute la largeur de la bande d'acier, par la maítrise des écoulements au sein du dispositif.
Ainsi, la température de la bande à l'entrée du dispositif doit être comprise entre 750°C et 350°C et la température à la sortie doit être comprise entre 0°C et 150°C.
Principaux éléments caractéristiques de l'invention
Un premier objet de la présente invention concerne un dispositif de refroidissement, pour réaliser une opération de trempe lors du traitement de recuit en continu d'un produit plat ou une bande métallurgique, de préférence une bande d'acier, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend une pluralité de tubes disposés de manière essentiellement horizontale et symétriquement de part et d'autre de la bande le long de celle-ci et qui projettent un fluide de refroidissement vers la bande au travers d'une fente ou d'une pluralité de trous.
Selon l'invention, le fluide de refroidissement est de l'eau liquide maintenue à une température inférieure à 50°C.
De préférence, le dispositif est localisé en brin essentiellement vertical (écart angulaire par rapport à la verticale inférieur à 30°), montant ou descendant et de préférence encore, le dispositif est localisé en brin vertical montant tout en étant directement précédé par une cuve d'eau à la température d'ébullition.
L'invention sera avantageusement mise en oeuvre sur une installation où le produit métallurgique à traiter possède une vitesse de défilement comprise entre 0,25m/s et 20m/s, et une épaisseur comprise entre 0,1mm et 10mm.
Une caractéristique importante de l'invention réside dans le fait que les tubes de refroidissement sont dimensionnés de telle manière que la vitesse d'éjection du fluide de refroidissement soit homogène sur toute la largeur de bande.
De préférence, le rapport entre la section de passage d'un tube et la section libre d'aspersion de ce tube, c'est-à-dire l'aire de la fente ou l'aire cumulée des trous, est supérieur à 1. Ainsi, on garantit que la distribution des vitesses est telle que l'écart relatif entre la vitesse maximale (Vmax) et la vitesse minimale (vmin) d'éjection suivant la largeur du tube est inférieur à 5 % ou νmax - νmin νmax ≤ 0,05.
Avantageusement, les tubes de refroidissement sont immergés.
Selon une modalité préférée de l'invention, lesdits tubes ont une section rectangulaire. De préférence, le rapport d'un côté au côté adjacent de la section rectangulaire est compris entre 0,1 et 10 et l'épaisseur des tubes est comprise entre 0,25 fois et 10 fois le diamètre des trous ou l'épaisseur de la fente, en vue de contrôler la cohérence du jet, le rapport entre l'épaisseur des tubes et le diamètre des trous étant le cas échéant encore de préférence égal à 2/3.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, ledit dispositif est pourvu dans sa partie inférieure de moyens d'étanchéité, de préférence un sas à double paire de rouleaux, permettant à la fois le passage de la bande et la création d'une perte de charge limitant au minimum les fuites vers le bas du caisson de refroidissement.
Toujours avantageusement, la distance (A) entre chaque tube et la bande est comprise entre 50mm et 200mm.
L'invention permet avantageusement d'éviter les phénomènes d'ébullition locale en choisissant un débit spécifique du fluide de refroidissement sur une face de la bande compris entre 250 et 1000m3 par heure et par m2. Dans un exemple de dispositif testé par la Demanderesse, le débit spécifique maximum par face était d'environ 580 m3 par heure et par m2.
Ainsi, la vitesse d'éjection (Vjet) satisfait le critère suivant, respectivement :
  • pour des trous : VJET ≥ 0,1 DNS d ,
  • pour des fentes : - VJET ≥ 0,25 DNS d 12 ,
où DNS représente la distance entre le tube et la bande et d représente le diamètre d'un trou ou l'épaisseur de la fente.
Ces deux critères, issus de la théorie des jets turbulents, donnent l'atténuation de la vitesse maximale d'un jet turbulent avec un environnement à vitesse nulle. Les critères sont calculés sur base d'une vitesse minimale de 2,5m/s. La vitesse maximale du jet à 50mm (position de la bande par rapport à l'orifice du jet) est de 0,65m/s. La vitesse de 0,65m/s est donc considérée comme la vitesse minimale du jet lorsque celui-ci atteint la bande, pour casser la couche de caléfaction.
De préférence, le fluide de refroidissement injecté par les tubes est évacué entre ceux-ci, la distance (B) entre deux tubes successifs étant identique pour tous les tubes, la perte de charge étant inférieure à 150mm de colonne d'eau.
Toujours selon l'invention, le dispositif de refroidissement est pourvu d'un déversoir dont la hauteur est au minimum celle du jet supérieur, afin que tous les jets soient immergés.
Avantageusement, le tube supérieur est équipé d'un barrage dont la hauteur est au moins égale à la somme de l'épaisseur de la lame d'eau (H) au déversoir et de la hauteur de colonne d'eau (ΔH) correspondant à la perte de charge entre les tubes à débit maximum.
Selon des modalités alternatives d'exécution préférées, les tubes sont alimentés en fluide de refroidissement en commençant par le tube le plus inférieur, ou encore à mi-hauteur de la pluralité de tubes, lesdits tubes étant éventuellement calibrés pour compenser des pertes de charge.
Un deuxième objet de la présente invention concerne un procédé de trempe lors du traitement de recuit en continu d'un produit plat ou d'une bande métallurgique, de préférence une bande d'acier, mettant en oeuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour atteindre une puissance de refroidissement comprise entre 1000kW/m2 et 10000kW/m2 par face de produit métallurgique.
Selon le procédé de l'invention, la température de la bande à l'entrée du dispositif est comprise entre 350°C et 750°C et la température à la sortie est comprise entre 50°C et 450°C, de préférence entre 50°C et 100°C ou entre 350 et 450°C.
Brève description des figures
La figure 1 représente schématiquement une vue en coupe du dispositif de refroidissement selon la présente invention.
La figure 2 représente schématiquement une disposition des trous destinés à la projection d'eau sur la bande d'acier dans le dispositif de la présente invention.
La figure 3 illustre graphiquement les performances thermiques du dispositif de refroidissement selon l'invention.
La figure 4 illustre les performances dudit dispositif en termes de planéité de la bande d'acier.
Les figures 5 et 6 illustrent l'impact de l'uniformité du refroidissement sur l'homogénéité des propriétés mécaniques de la bande d'acier. La figure 5 se rapporte à un acier de la famille "dual phase", tandis que la figure 6 se rapporte à un acier de la famille des aciers multiphasés.
La figure 7 donne schématiquement les différentes positions des éprouvettes prélevées en fonction de la largeur de la tôle, pour la réalisation des essais relatifs aux figures 5 et 6.
La figure 8 indique les paramètres permettant de calculer l'indice de planéité, ces paramètres caractérisant la sinusoïde à laquelle est assimilé le profil longitudinal de la bande en rive.
Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention
Comme le montre la figure 1, le dispositif de refroidissement est constitué d'un ensemble de tubes 1, dits "rampes" ou "rampes de refroidissement", disposés symétriquement de part et d'autre de la bande d'acier à refroidir. Ces rampes sont immergées et alimentées latéralement en fluide de refroidissement. Leur section est de préférence rectangulaire. Dans la suite de l'exposé de l'invention, les termes "tubes" et "rampes" seront indistinctement utilisés.
L'immersion des rampes est réalisée au moyen d'un système d'étanchéité, situé dans la partie inférieure du dispositif, qui permet à la fois le passage de la bande d'acier 2 et la création d'une perte de charge maximum de manière à limiter au minimum le débit de fuite du fluide de refroidissement vers le bas du caisson. Dans l'application présentée, ce système d'étanchéité est constitué d'une double paire de rouleaux 3, appliqués contre la bande d'acier et positionnés symétriquement par rapport à celle-ci. Entre les rouleaux, on injecte un fluide dont on peut contrôler la pression et/ou la température.
Le fluide de refroidissement est préférentiellement de l'eau. Les rampes de refroidissement sont situées à une distance A de la ligne de passe de la bande 2. Pour des raisons d'encombrement, d'une part, et afin de limiter le débit total dans le système, pour des performances équivalentes, d'autre part, la distance maximum entre la bande et les rampes de refroidissement est fixée à 200mm.
Un espace B est laissé entre deux rampes successives afin que l'eau injectée par les rampes puisse être évacuée entre celles-ci. Ceci garantit un écoulement aussi homogène que possible suivant la largeur de la bande d'acier. Le choix de la distance B résulte d'un compromis entre une puissance de refroidissement spécifique P maximum, la puissance spécifique étant définie comme la puissance de refroidissement par unité de surface et par face de bande à refroidir, et une perte de charge minimale à travers les canaux d'évacuation, afin d'assurer un renouvellement suffisamment rapide du fluide de refroidissement au voisinage de la tôle, et ainsi éviter la formation de zones d'ébullition locales au voisinage de la bande. La distance B est choisie identique entre deux rampes successives pour toutes les rampes, afin d'assurer des conditions d'écoulement identiques en face de toutes les rampes d'aspersion. Ceci permet donc d'obtenir une homogénéité verticale de l'écoulement. De cette manière, le fluide de refroidissement injecté par une rampe donnée est évacué au moyen des canaux directement adjacents à cette rampe. On évite ainsi de créer des chemins préférentiels et on minimise le temps de passage du fluide de refroidissement au voisinage de la bande, toujours pour éviter la formation locale de zones d'ébullition.
Chaque rampe de refroidissement 1 est pourvue, sur la face exposée à la bande, d'au moins une fente ou d'un ensemble de trous, comme représenté à la figure 2, destinés à la projection du fluide de refroidissement vers la bande. La distance entre deux trous successifs doit être telle que l'écoulement dans le proche voisinage de la bande puisse être assimilé à celui d'une fente. La vitesse d'éjection du fluide doit être suffisante afin d'éviter de former des zones d'ébullition au voisinage de la bande. Cette vitesse d'éjection V est choisie en fonction de la distance A par rapport à la bande et est typiquement comprise entre 0 et 10m/s.
En aval des canaux d'évacuation, le dispositif ou caisson de refroidissement comprend un déversoir 4, sur toute la largeur du caisson et dont la hauteur correspond au niveau du jet de la dernière rampe, ce qui garantit que dans toutes les conditions de fonctionnement, la dernière rampe soit immergée au même titre que les autres.
Afin d'assurer des conditions d'écoulement identiques en face de chaque rampe :
  • la rampe de refroidissement supérieure est surmontée d'un barrage 5 dont la hauteur est au moins égale à la somme de l'épaisseur H de la nappe d'eau au déversoir et de la hauteur de colonne d'eau ΔH correspondant à la perte de charge ΔP au travers des canaux d'évacuation, pour le débit maximum Qmax ;
  • un canal d'évacuation est réalisé en dessous de la dernière rampe.
Ainsi, lorsque le système fonctionne, une différence de niveau d'eau existe entre la face avant, ou côté bande, et la face arrière, ou côté déversoir, des rampes. Cette différence est égale à la hauteur de colonne d'eau correspondant à la perte de charge entre deux rampes, pour un débit donné.
Les performances de refroidissement du dispositif, illustrées à la figure 3, ont été mesurées en conditions industrielles par bilan thermique sur base des grandeurs suivantes : températures de la bande d'acier à l'entrée et à la sortie du dispositif, longueur de la section de refroidissement et vitesse de défilement de la bande d'acier à travers le dispositif. La figure 3 montre que la puissance de refroidissement spécifique, exprimée en kW par mètre carré et par face de bande, est une fonction linéaire du débit spécifique, lui-même exprimé en mètres cubes par heure et par mètre carré pour les deux faces cumulées. Dans les conditions envisagées ici, la puissance spécifique est comprise entre 4000 et 6000kW/m2 et par face de produit.
La figure 4 illustre les performances du dispositif pour ce qui concerne la planéité de la bande d'acier. Elles sont l'image de l'homogénéité du refroidissement et par conséquent de la maítrise des écoulements dans le dispositif. La caractérisation de la planéité concerne ici des rives longues. Chaque point de la figure représente un point de fonctionnement du dispositif - défini par la puissance de refroidissement spécifique associée - à un instant donné durant la campagne d'essais industriels. A chaque point de fonctionnement, on associe un indice de planéité, exprimé en unités "I". Une unité "I" correspond à un allongement relatif de 1mm pour 100m de bande d'acier.
Dans le cas d'un défaut de type "rive longue", le profil longitudinal de la bande en rive peut être assimilé à une sinusoïde, de longueur d'onde L et d'amplitude X. L'indice de planéité est calculé sur base des mesures de L et de X (voir figure 8) au moyen de la relation suivante : ΔL L · 105 [I] = X[mm]2·L[m] )2.
Sur la figure 4 ont été représentés deux seuils de référence, 120 et 240 unités "I", qui correspondent aux tolérances de planéité admissibles par deux lignes d'électrozingage. La figure montre que la majorité des points de fonctionnement se situent en deçà du seuil de la ligne la plus exigeante.
Les figures 5 et 6 illustrent l'impact de l'uniformité du refroidissement sur l'homogénéité des propriétés mécaniques. La figure 5 se rapporte à un acier de la famille "dual phase". La figure 6 se rapporte à un acier de la famille SPPH (acier fortement allié). Dans les deux cas, les propriétés mécaniques sont caractérisées par un essai de traction. Les éprouvettes sont prélevées à différentes positions suivant la largeur de la tôle, selon le schéma représenté à la figure 7 :
  • 1) Extrême rive,
  • 2) Rive,
  • 3) Quart,
  • 4) Centre,
  • 5) Centre,
  • 6) Quart,
  • 7) Rive,
  • 8) Extrême rive.
    • Sur les figures 5 et 6, on a représenté respectivement la charge à rupture, la limite élastique (uniquement Fig. 6) et l'allongement à 80% de la charge à rupture. On peut conclure de ces observations qu'il y a une bonne homogénéité des propriétés mécaniques suivant la largeur de la bande.

    Claims (21)

    1. Dispositif de refroidissement, pour réaliser une opération de trempe lors du traitement de recuit en continu d'un produit plat ou une bande métallurgique, de préférence une bande d'acier, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend une pluralité de tubes (1) disposés de manière essentiellement horizontale et symétriquement de part et d'autre de la bande (2) le long de celle-ci et qui projettent un fluide de refroidissement vers la bande au travers d'une fente ou d'une pluralité de trous.
    2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est de l'eau liquide maintenue à une température inférieure à 50°C.
    3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif est localisé en brin essentiellement vertical montant ou descendant.
    4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif est localisé en brin vertical montant et est directement précédé par une cuve d'eau à la température d'ébullition.
    5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le produit métallurgique à traiter possède une vitesse de défilement comprise entre 0,25m/s et 20m/s.
    6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le produit métallurgique à traiter a une épaisseur comprise entre 0,1mm et 10mm.
    7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes de refroidissement (1) sont dimensionnés de telle manière que la vitesse d'éjection du fluide de refroidissement soit homogène sur toute leur largeur de bande (2).
    8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le rapport entre la section de passage d'un tube et la section libre d'aspersion de ce tube, c'est-à-dire l'aire de la fente ou l'aire cumulée des trous, est supérieur à 1.
    9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les tubes de refroidissement (1) sont immergés.
    10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits tubes (1) ont une section rectangulaire.
    11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le rapport d'un côté au côté adjacent de la section rectangulaire est compris entre 0,1 et 10.
    12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'épaisseur des tubes est comprise entre 0,25 fois et 10 fois le diamètre des trous ou l'épaisseur de la fente, le rapport entre l'épaisseur des tubes et le diamètre des trous étant le cas échéant de préférence égal à 2/3.
    13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif est pourvu dans sa partie inférieure de moyens d'étanchéité (3), de préférence un sas à double paire de rouleaux, permettant à la fois le passage de la bande (2) et la création d'une perte de charge limitant au minimum les fuites vers le bas du caisson de refroidissement.
    14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance (A) entre chaque tube (1) et la bande (2) est comprise entre 20mm et 200mm.
    15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit spécifique du fluide de refroidissement sur une face de la bande est compris entre 250 et 1000m3 par heure et par m2, pour éviter des phénomènes d'ébullition locale au voisinage de la bande.
    16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement injecté par les tubes (1) est évacué entre celles-ci, la distance (B) entre deux tubes successifs étant identique pour tous les tubes (1), la perte de charge étant inférieure à 150mm de colonne d'eau.
    17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement est pourvu d'un déversoir (4) dont la hauteur est au minimum celle du jet supérieur, afin que tous les jets soient immergés.
    18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube supérieur est équipé d'un barrage (5) dont la hauteur est au moins égale à la somme de l'épaisseur de la lame d'eau (H) au déversoir et de la hauteur de colonne d'eau (ΔH) correspondant à la perte de charge entre les tubes à débit maximum.
    19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes sont alimentés en fluide de refroidissement en commençant par le tube le plus inférieur, ou encore à mi-hauteur de la pluralité de tubes, lesdits tubes étant éventuellement calibrés pour compenser des pertes de charge.
    20. Procédé de trempe lors du traitement de recuit en continu d'un produit plat ou d'une bande métallurgique, de préférence une bande d'acier, mettant en oeuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour atteindre une puissance de refroidissement comprise entre 1000kW/m2 et 10000kW/m2 par face de produit métallurgique.
    21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que la température de la bande à l'entrée du dispositif est comprise entre 350°C et 750°C et la température à la sortie est comprise entre 50°C et 450°C, de préférence entre 50°C et 100°C ou entre 350°C et 450°C.
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