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Procédé de traitement thermique d'un produit en acier.
La présente invention concerne un procédé de traitement thermique d'un produit en acier, effectué de préférence immédiatement après le laminage de ce produit.
Le procédé de l'invention s'applique particulièrement aux produits longs, qui subissent généralement, après laminage, un refroidissement sur un refroidissoir. Il s'agit notamment des poutrelles, des palplanches, des rails, des barres et des fers marchands des sections les plus variées, mais aussi des tubes de forme quelconque.
Dans la pratique courante conventionnelle, les produits longs des types précités quittent le laminoir à une température supérieure à leur point Ar3 et ils sont déposés sur un refroidissoir où ils subissent un refroidissement dans l'air jusqu'à la température ambiante. Cette pratique requiert de longues durées de refroidissement et elle n'offre aucune possibilité de réglage de l'intensité et de la durée de ce refroidissement.
Dans une technique, connue notamment par le brevet BE-A-834059, on applique au profilé, à sa sortie de la dernière cage du laminoir, alors qu'il se trouve à une température supérieure à son point Ar3, un traitement de trempe superficielle et d'auto-revenu. Dans la pratique, on fait subir au profilé un refroidissement accéléré à l'eau, qui provoque la trempe d'une couche superficielle du produit. Celui-ci est déposé alors sur un refroidissoir où il subit un refroidissement lent à l'air calme comportant tout d'abord un auto-revenu de la couche superficielle trempée.
Les traitements de ce genre permettent surtout de modifier la microstructure de l'acier et d'améliorer ainsi de façon souvent spectaculaire les propriétés physiques du produit traité. Mais ils ne permettent pas de réduire la durée totale du cycle de refroidissement de façon notable par rapport à un simple refroidissement dans l'air.
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L'utilisation d'un refroidissoir, qui est nécessaire dans les méthodes précitées, entraîne les inconvénients les plus divers, qui s'ajoutent à la longue durée du refroidissement dans l'air calme. En effet, les produits subissent une oxydation superficielle assez importante pendant leur séjour de longue durée dans l'air. De plus, la conduite du refroidissoir impose de nombreuses manipulations des produits, qui sont coûteuses et qui risquent de provoquer des défauts.
Enfin, les produits quittant le laminoir, dits produitsmères, sont souvent découpés à la longueur désirée, en produitsfilles, avant d'être déposés sur le refroidissoir. Il est généralement nécessaire d'utiliser plusieurs refroidissoirs en parallèle pour le refroidissement simultané des divers produitsfilles, ce qui entraîne des risques de confusion entre ces produits. De plus, le rendement de l'opération de dressage est réduit du fait que celle-ci est pratiquée sur les produits-filles, de longueur limitée.
La présente invention a pour objet de proposer un procédé de traitement thermique d'un produit en acier du type précité, réalisable en un temps nettement plus court que les procédés antérieurs et permettant de minimiser les déformations pendant le refroidissement. Le procédé de l'invention permet le refroidissement en ligne des produits-mères quittant le laminoir, ainsi que le dressage de ces produits, également en ligne, avant leur découpage à la longueur désirée. Il réduit fortement les manipulations des produits et il conduit à des produits présentant d'excellentes propriétés mécaniques, en particulier une haute résistance accompagnée d'une ductilité et d'une résilience élevées.
Conformément à la présente invention, le procédé de traitement thermique d'un produit en acier à la sortie du laminoir, est caractérisé en ce qu'au cours d'une première étape on soumet le produit à un refroidissement rapide à l'eau depuis la température de fin de laminage jusqu'à une température de surface égale ou inférieure à la température du début de la transformation martensitique, dite point Ms, dudit acier, avec une vitesse de refroidissement au moins égale à la vitesse critique de trempe dudit acier, en ce que, au
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cours d'une seconde étape, on soumet le produit d'abord à une phase d'auto-revenu, au cours de laquelle, grâce à la chaleur dégagée par la partie non trempée du produit, on réalise le réchauffage de la couche superficielle trempée jusqu'à une température de surface, dite d'auto-revenu,
comprise entre 550ex et 650. C, et ensuite à une phase de refroidissement secondaire, qui comporte un refroidissement dudit produit jusqu'à une température de surface inférieure à 450 C, et en ce que, au cours d'une troisième étape, on effectue le refroidissement final du produit jusqu'à une température inférieure à 120. C.
Selon une première forme d'exécution du procédé de l'invention, ladite phase de refroidissement secondaire consise en un refroidissement dans l'air jusqu'à une température inférieure à 420. C.
Selon une autre forme d'exécution du procédé de l'invention, on refroidit le produit dans l'air jusqu'à une température intermé-
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diaire comprise entre 450ex et 420. C au cours de ladite phase de refroidissement secondaire, puis on le refroidit jusqu'à une température inférieure à 80. C, lors du refroidissement final. Ce refroi- dissement final est de préférence réalisé à l'eau, notamment pour limiter la durée du traitement.
Suivant une forme d'exécution particulièrement intéressante du procédé de l'invention dans laquelle on exécute le refroidissement qui suit la phase d'auto-revenu de façon encore plus nuancée et plus contrôlée, on laisse d'abord séjourner le produit dans l'air jusqu'à une température d'environ 550 C, on le refroidit ensuite à vitesse élevée jusqu'à une température de surface substantiellement inférieure à 400ex, on réalise alors un nouveau réchauffage du produit par dissipation de la chaleur interne jusqu'à une température comprise entre 400 C et 420. C, on effectue un refroidissement dans l'air, puis on procède de façon abrupte au refroidissement final jusqu'à une température inférieure à 120. C.
De préférence, ce refroidissement final abrupt est un refroidissement à l'eau.
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Selon une caractéristique supplémentaire, le procédé de l'invention est mis en oeuvre en continu, avec le produit quittant la dernière cage de laminoir et parcourant ensuite le dispositif de traitement. Après le refroidissement final suivant l'une ou l'autre forme d'exécution, on dresse le produit en continu, puis on le découpe à la longueur désirée.
Le procédé de l'invention sera maintenant exposé de manière plus détaillée, en faisant référence aux dessins annexés, dans lesquels la Fig. 1 illustre schématiquement une installation permettant la mise en oeuvre des différentes formes d'exécution du procédé de l'invention ; la Fig. 2 représente le diagramme de l'évolution de la température de la surface du produit au cours du traitement thermique objet de l'invention, lorsque ce traitement thermique comporte durant la deuxième étape, un refroidissement secondaire effectué sans discontinuité à la suite de la phase d'auto- revenu ; et la Fig. 3 représente le diagramme de l'évolution de la température de la surface d'un produit lorsque le refroidissement secon- daire comprend un refroidissement rapide et un revenu intermédiaire.
Les figures ne comportent pas d'échelle particulière ; on n'y a représenté que les éléments nécessaires à la bonne compréhension de l'invention.
La description donnée ci-après se réfère au refroidissement de profilés de différentes épaisseurs. Elle n'a bien entendu aucun caractère limitatif, notamment en ce qui concerne les durées des différentes étapes de refroidissement et l'intensité du refroidissement. Ces paramètres sont adaptés de manière connue par l'homme de l'art en fonction du type et de l'analyse du produit.
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Le repère numérique 1 de la Figure 1 désigne le produit laminé en acier, en l'occurrence un profilé, qui se déplace dans le sens de la flèche 2. Ce produit circule en continu dans une série de dispositifs où il est soumis aux étapes de refroidissement successives, correspondant aux diagrammes des Figures 2 et 3.
Le produit 1 quitte la dernière cage du laminoir, symbolisée par une paire de cylindres 3, et pénètre immédiatement dans un premier dispositif de refroidissement 4. Ce premier dispositif, connu en soi, se compose d'un tube de section appropriée, rempli d'eau en circulation. Le produit 1 y subit un refroidissement superficiel brusque, depuis la température de fin de laminage jusqu'à une tem-
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pérature de surface inférieure au point Ms de l'acier considéré ; au cours de ce premier refroidissement (de durée tl), il se forme une couche de martensite à la surface du produit 1.
De façon également connue en soi, l'épaisseur de cette couche superficielle de martensite dépend de la vitesse et de l'intensité du refroidissement, c'est-à-dire en fait de la durée tl et de la température de surface du produit à la fin du refroidissement.
Après cette première étape du traitement thermique, le produit 1 est transféré sur un refroidissoir 5, où il est soumis à un refroidissement en ligne suivant l'une ou l'autre forme d'exécution du procédé de la présente invention. Dans tous les cas, le produit subit une première phase, phase d'auto-revenu, au cours de laquelle il se produit une égalisation de la température entre le coeur et la surface du produit ; le coeur se refroidit et la surface se réchauffe, jusqu'à une température comprise entre 550ex et 650oC, ce qui provoque un auto-revenu de la couche superficielle de martensite. La phase d'autorevenu a une durée t2. Les différences entre les formes d'exécution portent sur les opérations qui suivent la phase d'auto-revenu.
Une première forme d'exécution est illustrée par la Figure 2, qui représente l'évolution temporelle de la température de surface du produit lorsque la phase secondaire de la deuxième étape du procédé
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consiste uniquement en un refroidissement à l'air.
Dans cette forme d'exécution, cette phase secondaire, de durée t3, consiste en un refroidissement à l'air du produit jusqu'à une température inférieure à 450*C, et de préférence inférieure à 420. C. La durée t3 de ce refroidissement dans l'air calme dépend bien entendu du type de produit, en particulier de son épaisseur. Il est fondamental de laisser le produit se refroidir à l'air
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jusqu'à une température inférieure à 450ex, et de préférence inférieure à 420. C, pour garantir une bonne résilience du produit final. Si on applique le refroidissement final, c'est-à-dire la troisième étape du procédé, à partir d'une température trop élevée, l'austénite résiduelle non encore transformée et enrichie en carbone peut se transformer en martensite et donner lieu à une structure fragile.
Ce refroidissement final, de durée t4, est réalisé à l'eau pour limiter la durée du traitement ; il ne doit plus avoir d'effet métallurgique.
Le diagramme de la Figure 3 représente l'évolution temporelle de la température de surface du produit, lorsque la seconde phase de la deuxième étape du procédé comprend successivement un refroidissement à l'air (t31), un refroidissement intense (t32), un auto réchauffage (t33) et un refroidissement à l'air (t34).
Dans cette forme d'exécution, le refroidissement à l'air (t31), immédiatement après l'auto-revenu de la couche superficielle martensitique, ramène la température de surface du produit à environ 550*C. On effectue ensuite un refroidissement intense (t32), généralement avec de l'eau en circulation, depuis cette température d'environ 550ex jusqu'à une température de surface de 300'C. Après un temps de séjour (t33) assurant l'égalisation de la température sur la section du produit jusqu'à 400. C, on effectue un refroidissement à l'air (t34) de 400. C à 300ex pendant lequel s'accomplit la réaction de survieillissement de la ferrite ; on opère ensuite le refroidissement final (t4) constituant la troisième étape du procédé.
Ce refroidissement final est effectué à l'eau jusqu'à la température de 80. C, température à laquelle le
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produit peut être manipulé sans subir d'altérations.
Le refroidissement intermédiaire (t32) peut être effectué dans un dispositif 5', représenté en trait mixte dans la Figure 1 parce qu'il n'est pas utilisé dans toutes les formes d'exécution du procédé de l'invention. Ce dispositif 5', ainsi que le dispositif 6 où s'effectue le refroidissement final (t4) se compose essentiellement d'un tube de section appropriée parcouru par de l'eau. Dans la Figure 1 annexée, il faut comprendre que le dispositif 6 est disposé à la suite du refroidissoir 5 ; le trait mixte qui les relie exprime cette disposition tout en permettant de limiter l'encombrement du dessin.
A ce stade, c'est-à-dire après le refroidissement final (t4), le produit 1 se trouve toujours sous forme continue, tel qu'il est sorti du laminoir 3. Les interventions de refroidissement sont réalisées de manière à assurer au produit une bonne rectitude.
Après le refroidissement final à l'eau, le produit 1 peut encore être dressé dans un dispositif de dressage 7, puis une cisaille 8 le découpe en tronçons de longueur désirée, qui. sont évacués par un convoyeur de sortie 9. Le dressage doit être réalisé à une température inférieure à 120. C et de préférence inférieure à 80*C pour éviter toute déformation ultérieure.
A titre d'exemple les deux tableaux suivants indiquent des durées de refroidissement typiques pour les différentes étapes du procédé de l'invention, dans le cas de profilés d'épaisseurs différentes.
Les épaisseurs e des profilés sont exprimées en millimètres (mm) et les temps (ti) sont exprimés en secondes (s).
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TABLEAU 1.
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<tb>
<tb> e <SEP> tl <SEP> t2 <SEP> t3 <SEP> t4
<tb> e <SEP> t1 <SEP> t2 <SEP> t3 <SEP> t4
<tb> (mm) <SEP> (s) <SEP> (s) <SEP> (s) <SEP> (s)
<tb> 28 <SEP> 5,50 <SEP> 20 <SEP> 450 <SEP> 30
<tb> 40 <SEP> 8,85 <SEP> 40 <SEP> 650 <SEP> 51
<tb> 125 <SEP> 55 <SEP> 360 <SEP> 2200 <SEP> 320
<tb>
Le tableau 1 correspond à la première forme d'exécution décrite plus haut et schématisée à la Figure 2. La durée de l'auto-revenu (t3) croît rapidement avec l'épaisseur du profil, et risque de devenir prohibitive pour des produits de fortes épaisseur ( > 40 mm) ; il est dès lors intéressant d'insérer un refroidissement intense dans la seconde phase de la deuxième étape du procédé, comme représenté à la Figure 3.
TABLEAU 2.
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<tb>
<tb> e <SEP> t1 <SEP> t2 <SEP> t31 <SEP> t32 <SEP> t33 <SEP> t34 <SEP> t4
<tb> (mm) <SEP> (s) <SEP> (s) <SEP> (s) <SEP> (s) <SEP> (s) <SEP> (s) <SEP> (s)
<tb> 28 <SEP> 5,5 <SEP> 20 <SEP> 120 <SEP> 3 <SEP> 12 <SEP> 180 <SEP> 25
<tb> 40 <SEP> 8,85 <SEP> 40 <SEP> 160 <SEP> 49 <SEP> 22 <SEP> 180 <SEP> 45
<tb> 125 <SEP> 55 <SEP> 360 <SEP> 570 <SEP> 31 <SEP> 180 <SEP> 180 <SEP> 320
<tb>
Le tableau 2 illustre cette forme d'exécution. On constate qu'elle apporte dans tous les cas un gain de temps important (environ 20 minutes pour les produits de 125 mm d'épaisseur). Ce gain de temps ne nuit pas à la qualité des produits, car ceux-ci présentent une bonne rectitude, une résistance élevée, ainsi qu'une excellente résilience en tout point de leur section.
Le procédé de l'invention permet d'effectuer la totalité du traitement, y compris le dressage, sur les produits-mères, c'est- à-dire tels qu'ils sortent du laminoir. On réduit ainsi nettement
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le nombre des manipulations nécessaires et dès lors le risque d'apparition de défauts liés à ces manipulations. Enfin, on n'utilise qu'un seul refroidissoir de faible longueur étant donné que le séjour à l'air est de courte durée, ce qui limite d'une part le risque de confusion entre les produits et d'autre part le degré d'oxydation de la surface des produits.