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Procédé de fabrication de rails La présente invention concerne un procédé de fabrication de rails, en particulier de rails à haute résistance, qui comporte un traitement thermique des rails dès leur sortie de la dernière cage de laminoir.
Le traitement thermique considéré ici consiste essentiellement, en principe, en un refroidissement rapide des rails à partir de la température qu'ils présentent à la sortie du laminoir ; pour cette raison, on dit en général que le traitement est effectué dans la chaude de laminage. Dans la pratique, il peut cependant être prévu une étape d'ajustement de la température des rails, par refroidissement naturel ou forcé à l'air, préalablement à ce traitement.
L'invention a pour objet l'obtention, de préférence sans addition d'éléments d'alliage, toujours coûteux, de rails présentant après le refroidissement une résistance élevée à la rupture, à l'usure et aux chocs, un allongement au moins égal à 10 % et une bonne soudabilité.
Il est actuellement connu dans la technique qu'un rail devant posséder les propriétés précitées doit comporter un bourrelet constitué de perlite fine exempte de martensite et de préférence également exempte de bainite ainsi que de ferrite proeutectoïde. De plus, le gradient de dureté dans le bourrelet doit être aussi faible que possible, de façon à conserver au rail une dureté suffisante malgré l'usure du bourrelet en service.
On connaît déjà, notamment par le brevet EP-A-O 161 326, un procédé de fabrication de rails, comportant un traitement thermique capable de conférer aux rails les propriétés indiquées plus haut. Ce procédé connu consiste essentiellement à refroidir rapidement les rails, dans la chaude de laminage, dans des conditions de vitesse et de durée de refroidissement contrôlées de façon telle qu'à la fin du refroidissement, moins de 60 % de la section du bourrelet aient subi la transformation de l'austénite en perlite tout en conférant les propriétés désirées à ce bourrelet, et qu'en plus les différences de dilatation entre les différentes parties des rails - bourrelet, âme, patin-soient minimisées.
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Ce procédé donne pleinement satisfaction pour la fabrication de rails à partir d'aciers dont la composition chimique varie peu d'un rail à l'autre et correspond par exemple aux valeurs indiquées dans le brevet EP-A-O 161 326 précité. On rappellera simplement ici que les aciers à rails ont une teneur en carbone généralement comprise entre 0,60 % et 0,85 % en poids.
L'expérience a cependant montré qu'une modification de la composition de l'acier entraînait une réponse différente du rail au traitement de refroidissement et pouvait conduire à des propriétés insuffisantes des rails considérés.
Le procédé du brevet EP-A-O 161 326 permet, dans une certaine mesure, de compenser l'effet d'une variation de la température d'entrée des rails, du fait qu'il prévoit le réglage de la durée et de la densité des flux calorifiques de refroidissement rapide pour atteindre le degré de transformation requis. En revanche, il n'y est pas prévu de tenir compte d'une modification de la composition de l'acier et de ses effets sur le comportement des rails au cours du refroidissement.
De telles variations de la composition des rails sont cependant observées de plus en plus fréquemment, en raison notamment de l'utilisation croissante de fours électriques pour la fabrication des aciers. La charge de ces fours est largement constituée de ferrailles d'origines diverses, dont la composition varie de façon irrégulière et généralement imprévisible.
La présente invention a pour objet de proposer un procédé de fabrication de rails qui permet de remédier aux inconvénients liés aux variations précitées. L'invention a l'ambition de proposer un procédé de conduite du refroidissement rapide des rails dans la chaude de laminage, de façon à leur conférer une structure perlitique fine, sans martensite et de préférence sans bainite, assurant les propriétés précitées, quelle que soit la composition de l'acier dans les limites usuelles des aciers à rails.
En premier lieu, il convient d'expliciter ici les diverses notions, par ailleurs connues, auxquelles il va être fait référence dans la présente proposition.
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Le"diamètre idéal" (DI) d'un acier est le diamètre d'un barreau de cet acier pour lequel, après une trempe dans un milieu présentant un coefficient d'échange thermique considéré comme infiniment élevé, par exemple une saumure glacée, le barreau présente une structure à 50 % martensitique à son axe. Ce diamètre idéal dépend notamment de la composition chimique de l'acier, par des relations bien connues dans la technique.
Pour les aciers à rails, dont la teneur en carbone est habituellement comprise entre 0,60 % et 0,85 % en poids, le diamètre idéal (DI) est généralement compris entre 35 mm et 60 mm.
La"température initiale" (To) du rail est la température du rail au début de son traitement theermique, c'est-à-dire à l'entrée du dispositif de refroidissement rapide. Elle peut être différente de la température de fin de laminage, car elle peut avoir été ajustée par un séjour contrôlé du rail sur un refroidissoir intermédiaire. Cette température (To) doit être égale ou supérieure à la température de transformation A. . de l'acier, de façon à garantir que le rail soit entièrement austénitique avant le début du refroidissement rapide ; sinon, la perlite formée au cours du refroidissement lent préalable serait trop douce et le rail ne présenterait pas la dureté requise.
La vitesse de défilement (V) est la vitesse avec laquelle le rail traverse le dispositif de refroidissement rapide. Cette vitesse est en principe constante ; dans ce cas, le paramètre (V) peut être remplacé par (t), qui représente le temps de séjour du rail dans le dispositif de refroidissement rapide. La vitesse (V) pourrait cependant être modifiée, par exemple par une accélération progressive du rail à mesure qu'il pénètre dans le dispositif de refroidissement ; dans ce cas, ce dispositif peut être divisé en plusieurs sections, dans lesquelles la vitesse (V) peut être réglée de manière indépendante. Cette technique permet de réduire l'écart entre deux rails consécutifs et par conséquent d'augmenter la capacité de production de la ligne de traitement.
Le débit de liquide de refroidissement (Q) est le débit dans le dispositif de refroidissement rapide. La distribution de ce débit suivant la longueur du dispositif de refroidissement peut être uniforme ou variable, et à cet
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égard le débit par unité de longueur peut être réduit en fin de refroidissement pour mieux contrôler le profil de dureté dans le bourrelet du rail et limiter les déformations du rail dans le dispositif de refroidissement. Dans ce dernier cas, le paramètre (Q) représente le débit moyen dans le dispositif de refroidissement. A cet effet, le dispositif de refroidissement peut être divisé en plusieurs sections, dans lesquelles le débit (Q) peut être réglé de manière indépendante. Par le bisait coefficient d'échange thermique, ce débit conditionne l'intensité du refroidissement.
Les niveaux de dureté à atteindre sont exprimés par les valeurs minimales de la dureté Brinell (HBN) qui doivent être réalisées à différentes profondeurs dans le bourrelet du rail ; ils sont imposés par les utilisateurs ou par des normes. Par exemple, une première valeur minimale impose un niveau moyen de dureté sur la couche superficielle de 10 mm d'épaisseur
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(H 10) et une seconde valeur minimale fixe la dureté requise à une profondeur de 20 mm (H*). t i.
Les propriétés mécaniques des rails, en particulier la dureté en un point de la section droite du bourrelet, qui est spécialement considérée ici, sont influencées par la température moyenne de transformation en ce point.
La température moyenne de transformation en un point peut être définie comme étant la moyenne des températures auxquelles se produit chaque accroissement élémentaire de la proportion d'austénite transformée en ce point. Si Z représente la proportion d'austénite transformée en un point, exprimée en pourcents (%), dZ un accroissement élémentaire de cette proportion d'austénite transformée et T (Z) la température à laquelle se produit cet accroissement dZ, la température moyenne de transformation en ce point peut être exprimée par la relation :
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La dureté diminue lorsque la température moyenne de transformation augmente, c'est-à-dire lorsque la vitesse de refroidissement diminue.
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Comme on l'a déjà indiqué plus haut, l'obtention des propriétés requises implique la formation d'une structure perlitique fine, exempte de structures de trempe telles que la bainite et la martensite, au moins dans toute la section transversale du bourrelet.
L'absence de bainite, pour un acier de composition et de grain austénitique donnés, est conditionnée notamment par la vitessejrèfroidsse'- ment des rails, c'est-à-dire en définitive par le débit (Q) et la température du liquide de refroidissement. Il existe pour chaque acier et pour chaque vitesse de refroidissement une température à laquelle la bainite commence à se former. La plus élevée de ces températures de début de formation de la bainite est appelée (T min) et peut être déterminée par les méthodes de la dilatométrie.
Pour éviter la formation de bainite dans le bourrelet du rail, il faut donc que la transformation perlitique y soit achevée à une température (Tfin) supérieure ou égale à (T Min) L'absence de martensite est garantie par le fait que leyefirroidissement rapide est réglé de façon à assurer que l'austénite soit complètement transformée en perlite à une température supérieure au point Ms.
Enfin, la température d'égalisation (Tè9) est la température maximale atteinte par la surface du bourrelet du rail pendant la phase d'égalisation de la température après la fin du refroidissement rapide. Pour des aciers à rails, il est apparu que cette température devait atteindre au moins 400. C, pour prévenir toute difficulté lors du dressage des rails.
Conformément à la présente invention, un procédé de fabrication de rails, dans lequel on soumet les rails en défilement à une vitesse (V) à un refroidissement superficiel rapide dans la chaude de laminage au moyen d'un liquide de refroidissement, puis à un refroidissement plus lent s'accompagnant d'une égalisation de la température dans la section des rails, est caractérisé en ce que, pour chaque rail, on calcule le diamètre idéal (DI) correspondant à sa composition chimique, en ce que l'on détermine, pour chaque couple de valeurs comprenant une valeur dudit diamètre idéal (DI) et une valeur d'une des variables du groupe comprenant la vitesse de défilement du rail (V), la température initiale du rail (Ta) et le débit du liquide de refroidissement rapide (Q),
les courbes représen-
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tatives de conditions imposées aux rails en fonction des deux autres variables du groupe précité, lesdites conditions comprenant le niveau minimum de dureté à différentes profondeurs dans le bourrelet du rail (H*, H*), la valeur minimale de la température de fin de transformation dudit bourrelet (T min) et la valeur minimale de la température d'égalisa-
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tion du bourrelet (Tg), en ce que l'on délimite au moyen desdites courbes un domaine de fonctionnement conduisant aux propriétés dréëe Tentée que l'on règle lesdites deux autres variables du groupe précité pour que le point représentatif du refroidissement rapide se situe à l'intérieur dudit domaine de fonctionnement.
Selon une mise en oeuvre particulière, on groupe les rails par familles en fonction de leur diamètre idéal, chaque famille couvrant une gamme de DI, on détermine pour chaque famille de rails un ensemble commun de valeurs des variables (V, To, Q) conférant les propriétés désirées à chacun des rails de la famille et on applique pour le refroidissement de tous les rails appartenant à ladite famille des valeurs desd, is. variables (V, Toe Q) comprises dans ledit ensemble commun.
De plus, des familles de rails peuvent être définies par des gammes de diamètre idéal qui présentent un recouvrement.
Suivant une caractéristique supplémentaire, on détermine un ensemble de valeurs des variables (V, To, Q) commun à au moins deux familles de rails et on applique pour le refroidissement rapide de tous les rails appartenant auxdites familles des valeurs desdites variables (V, Toe comprises dans ledit ensemble commun.
Il est ainsi possible d'accroître la souplesse de réglage des conditions de refroidissement rapide lors du passage d'une famille de rails à une autre famille de rails.
D'autres particularités ainsi que divers avantages du procédé de l'invention découleront de la description plus détaillée qui suit, consacrée à des exemples de mise en oeuvre de l'invention et illustrée par les dessins annexés, dans lesquels
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la Fig. 1 illustre quelques notions auxquelles il est fait référence dans la demande ; la Fig. 2 représente un domaine hachuré, délimité conformément à l'invention, à utiliser pour le traitement de refroidissement rapide d'un rail particulier ; la Fig. 3 représente un autre domaine hachuré, à utiliser pour le traitement de refroidissement rapide d'un autre rail ; la Fig. 4 montre la superposition de trois domaines particuliers corres- pondant respectivement à des rails d'une même famille, avec indication de la zone commune utilisable pour les trois rails ;
la Fig. 5 montre les zones communes correspondant respectivement à trois familles de rails, avec les plages de recouvrement entre les différentes zones ; la Fig. 6 représente une zone correspondant à une famille de rails et illustrant les possibilités de réglage des variables de commande (Q, To) ; et la Fig. 7 illustre une comparaison des résultats obtenus par le procédé de l'invention avec des résultats obtenus par la technique antérieure, pour des rails identiques.
Pour la bonne compréhension du procédé de l'invention, la Fig. 1 illustre les notions de température moyenne de transformation (TMT) et de température d'égalisation (Tég) utilisées dans la présente demande.
Lorsque l'on refroidit un rail, et particulièrement le bourrelet d'un rail, il va de soi que le refroidissement en un point quelconque de la section du bourrelet est progressif.
La Fig. l (a) montre un histogramme illustrant la proportion d'austénite transformée (Z) à différentes températures en un point de la section du bourrelet, la somme des zones rectangulaires ombrées représentant la transformation complète (Z-100%) de ce point. On peut en déduire la température moyenne de transformation (TMT) en ce point de la section du bourrelet, qui vaut ici 563, 5 *C. Cet histogramme indique également les températures extrêmes, supérieure et inférieure, ici respectivement 655. C et 50S. C, entre lesquelles s'accomplit la totalité de la transformation perlitique du point considéré.
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Cette répartition de la proportion d'austénite transformée (Z) et les températures qui la déterminent, tant la température moyenne (TMT) que les températures extrêmes, varient avec la vitesse de refroidissement. Plus la vitesse de refroidissement est grande et plus la température moyenne (TMT) et les températures extrêmes seront basses, et inversément.
La température moyenne de transformation (TMT) influence diverses propriétés mécaniques, et notamment la dureté qui est particulièrement importante dans le cas d'un bourrelet de rail.
La Fig. l (b) montre une évolution de la dureté Brinell (HBN) en fonction de la température moyenne de transformation (TMT) ; ce diagramme montre bien qu'une augmentation de la température moyenne de transformation en un point du bourrelet conduit à une diminution de la dureté en ce point, et inversément.
L'effet de la vitesse de refroidissement (VR) sur la température (TMT) est illustré dans la Fig. l (c) ; celle-ci montre en outre que cet effet s'accentue lorsque le diamètre idéal de l'acier augmente.
Enfin, la Fig. l (d) montre l'évolution de la température de la surface du bourrelet (Ts) en fonction du temps, abstraction faite des légères fluctuations de cette température, qui n'ont pas d'effet sur le procédé ; cette température diminue, suivant une loi prédéterminée, depuis une température (Ta) à l'entrée du dispositif de refroidissement rapide jusqu'à une température (Tf) à la fin de ce dispositif, pour augmenter à nouveau par suite de l'égalisation de la température au cours du refroidissement lent qui suit. La température de surface (Ts) atteint ainsi un maximum, appelé température d'égalisation (Té9), après lequel elle baisse à nouveau.
La valeur de la température d'égalisation (Té9) dépend notamment de la température d'entrée (Ta) du rail, de la vitesse (VR) du refroidissement rapide, de la durée (t) de ce refroidissement rapide et du débit (Q) du liquide de refroidissement ; elle influence certaines propriétés des rails, comme on le précise plus loin.
La Fig. 2 illustre un exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention,
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dans le cas d'un rail en un acier ayant un diamètre idéal DI = 42 mm, qui traverse le dispositif de refroidissement à une vitesse V = 1,0 m/s. En pratique, on connaît en outre la longueur de ce dispositif de refroidissement, donc la durée du refroidissement rapide.
Selon les conditions imposées dans le cadre de cet exemple, le bourrelet doit présenter une dureté Brinell moyenne d'au moins H 10 = 351 HBN dans la couche superficielle de 10 mm d'épaisseur et d'au moins H 20 = 341 HBN à une profondeur de 20 mm.
De plus, le refroidissement doit être conduit de telle façon que la température d'égalisation (Tég) atteigne au moins 400*C, et de préférence au moins 450*C ; en dessous de cette température en effet, le rail présente d'importantes déformations qui rendent difficile et coûteuse l'obtention d'une bonne rectitude du rail.
Il est enfin essentiel que le bourrelet du rail ne contienne pas de bainite. On sait qu'en partant d'une structure austénitique, l'acier se transforme au refroidissement et que cette transformation se termine à une température (T fin) qui dépend notamment de la vitesse de refroidissement.
A cet égard, il existe pour chaque acier une valeur minimale de la température de fin de transformation, pour laquelle la structure austénitique s'est entièrement transformée en perlite, sans formation de bainite. Cette valeur particulière, qui dépend essentiellement de la composition de l'acier, c'est-à-dire de son diamètre idéal, est la température minimale (T min) pour laquelle la transformation de l'austénite doit être achevée dans le bourrelet. Dans le cas envisagé ici, elle vaut 529. C (Fig. 2).
Les conditions précitées de dureté et de température imposées au bourrelet du rail considéré peuvent s'exprimer par des courbes représentatives en fonction des variations des paramètres de contrôle du procédé.
Dans le cas particulier des traitements de refroidissement à vitesse de défilement (V) constante, il s'est avéré intéressant, en pratique, de tracer ces courbes pour chaque couple de valeurs du diamètre idéal (DI) et de la vitesse de défilement (V), en fonction des variations de la température initiale (To) et du débit d'eau (Q). La vitesse de défilement
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(V) et la longueur du dispositif de refroidissement déterminent la durée du refroidissement rapide.
La Fig. 2 montre un domaine hachuré, délimité par les courbes représentatives des conditions précitées dans un plan (To Q) pour DI = 42 mm et V = 1, 0 mis. Pour une autre durée de refroidissement, le domaine hachuré pourra présenter une autre forme.
A chacun des points situés à l'intérieur de ce domaine hachuré correspondent ainsi des valeurs de (Ta) et de (Q) qui conduisent à un rail dont le bourrelet respecte les conditions imposées. Le dispositif de refroidissement ayant ici une longueur de 99 m, la durée d'application du débit (Q) est donc de 99 secondes.
La Fig. 3 présente un diagramme avec un domaine hachuré, qui est construit essentiellement de la même manière que celui de la Fig. 2.
Il présente néanmoins quelques différences notables par rapport à celuici. En premier lieu, les valeurs de (DI) et de (V) sont différentes, ce qui modifie la position des courbes et de ce fait la forme du domaine
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hachuré. La température (T min) vaut ici 538*C. En plus, le domaine hachuré est limité, dans le bas, par la ligne horizontale correspondant à la température du poi nt A3r. Il importe en effet que le bourrelet du rail soit entièrement austénitique au moment où débute le refroidissement rapide, sous peine de comporter une fraction de perlite trop douce par rapport aux conditions de dureté imposées.
Comme on l'a indiqué plus haut, il est intéressant de grouper les rails en familles qui correspondent à des gammes déterminées de valeurs du diamètre idéal ; par exemple, une famille peut comprendre les rails dont le DI est compris entre 40 mm et 44 mm.
Cette situation est illustrée dans la Fig. 4, où l'on a représenté, en superposition, les domaines hachurés correspondant à trois DI (40,42, 44 mm) et une même vitesse V (1, 1 m/s). Ces trois domaines présentent une plage de recouvrement commune, qui définit le champ de variation de (Ta) et (Q) valable pour ces trois rails d'une même famille. Ceux-ci peuvent
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donc être traités, dans un ordre quelconque, sans qu'il soit nécessaire de modifier (Ta) ou (Q) pour obtenir les propriétés requises.
La Fig. 5 illustre une autre possibilité du procédé de l'invention. Elle représente trois zones correspondant respectivement à la plage de recouvrement de trois familles de rails, pour lesquelles DI = 40-44 mm ; 43-47 mm, 46-50 mm, avec des vitesses différentes. Ces trois zones se recouvrent partiellement deux à deux. Par exemple, les familles (DI = 40-44 mm ; V-
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1, 1 m/s) et (DI = 43-47 mm ; V = 1, 03 m/s) pourront être traitées avec les mêmes valeurs de (To) et (Q) à choisir dans leur partie commune, moyennnant adaptation de la vitesse (V) lors du passage d'une famille à l'autre.
La situation est analogue pour le passage de la famille (DI-43-47 mm ; V = 1,03 m/s) à la famille (DI = 46-50 mm ; V = 0, 95 m/s).
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Par contre, le passage de la famille (DI = 40-44 mm ; V = 1, 1 m/s) à la famille (DI = 46-50 mm ; V = 0,95 m/s) impliquerait à la fois une modification de la vitesse (V) et du débit (Q) pour une même température (To) Il en résulte que la succession de différentes familles de rails doit être soigneusement programmée de façon à minimiser les modifications des différentes conditions opératoires (V, Q, Ta).
Dans la Fig. 6, on a représenté une zone qui est la zone commune aux rails de la famille (DI = 38-42 mm ; V = 1, 18 m/s). Dans cette zone se trouve un point noir, qui correspond à la valeur de consigne de la température d'entrée (Ta) d'une part et du débit d'eau (Q) d'autre part.
Il est préférable que ce point, qui constitue en fait le réglage initial, soit aussi central que possible dans la zone, de façon à autoriser des fluctuations relativement importantes de (To) de (Q) et même de (V) sans sortir du champ opératoire ainsi délimité.
Enfin, la Fig. 7 montre, par des diagrammes comparatifs, l'amélioration apportée par le procédé de l'invention dans le cas de rails présentant des DI différents.
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La Fig. 7 (a) est un diagramme de type connu montrant, en fonction du temps, l'évolution de la température T (*C) et de la proportion d'austénite transformée Z (%) en un point situé 5 mm sous la surface supérieure du bourrelet du rail. Ce diagramme porte sur deux aciers ayant des DI différents, à savoir respectivement 35,3 mm et 49 mm, qui ont été refroidis dans les mêmes conditions de durée et de vitesse de refroidissement, suivant le procédé du brevet EP-A-0 161 326 précité.
La transformation se terminant de manière asymptotique, on convient de considérer le niveau de 99 % comme la fin clairement perceptible de la transformation. Le diagramme montre qu'à l'instant correspondant à 99 % de transformation, la température au point considéré est respectivement de 564. C pour un rail et de 519*C pour l'autre rail.
Le diagramme de la Fig. 7 (b) indique, en fonction du diamètre idéal (DI) de l'acier, la valeur de la température de fin de transformation (trin), qui varie également avec la vitesse de refroidissement. Pour chaque valeur de DI, il existe une valeur minimale de (Tfin), appelée (T min) SOUS laquelle la transformation se termine dans le domaine bainitique.
L'ensemble de ces valeurs de (T min) constitue une ligne oblique, croissante, qui sépare un domaine supérieur où la transformation est entièrement perlitique, et un domaine inférieur ombré dans lequel il se forme de la bainite en fin de transformation.
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Si l'on reporte sur le diagramme de la Fig. 7 (b) les valeurs de (Tfin) obtenues dans la Fig. 7 (a), on constate que le point correspondant à DI = 35, 3 mm se situe dans le domaine perlitique, tandis que le point correspondant à DI = 49 mm se place dans le domaine représentatif de la présence de bainite.
Ce diagramme de la Fig. 7 (b) montre que le même traitement, à savoir celui de la technique antérieure, ne conduit pas aux mêmes propriétés dans les deux rails, en raison de leur différence de DI, donc de composition.
A titre de comparaison, on a traité des rails des deux mêmes aciers, donc présentant les mêmes DI, par le procédé de l'invention, c'est-à-dire en
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adaptant le débit (Q), donc la vitesse de refroidissement, en fonction du DI. Les résultats sont illustrés dans les Fig. 7 (c) et 7 (d).
Le diagramme de la Fig. 7 (c) montre que la durée du refroidissement est plus longue pour l'acier DI-49 mm (140 s) que pour l'acier DI = 35, 3 mm (100 s). Le refroidissement moins rapide de ce dernier résulte de l'application d'un débit d'eau (Q) moins élevé en raison de l'augmentation du DI, conformément aux indications déduites des Fig. l (c) et 5.
En appliquant le même raisonnement que dans les Fig. 7 (a) et 7 (b), on constate que les températures (Tfin) sont ici respectivement égales à 564*C et 546*C (Fig. 7 (c)), et que les points correspondants, reportés dans la Fig. 7 (d), se situent tous deux dans le domaine entièrement perlitique.
Cet exemple illustre l'intérêt de la connaissance du diamètre idéal (DI) des rails qui se présentent à l'entrée du dispositif de refroidissement, ainsi que des conditions de traitement optimales correspondant à cette composition chimique.
Le procédé de l'invention n'est cependant pas limité à l'exemple de mise en oeuvre qui vient d'être décrit et illustré. Il s'étend également à toute modification qu'un homme de métier pourrait y apporter, notamment en choisissant d'autres variables que le diamètre idéal (DI) et la vitesse de défilement (V) des rails pour constituer les familles de rails et en adoptant d'autres variables de réglage que le débit (Q) et la température initiale (To).