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Dispositif et installation pour revêtir une bande d'acier.
La présente invention concerne un dispositif et une installation pour fabriquer des bandes d'acier revêtues possédant une excellente résistance à la corrosion et à l'oxydation, ainsi qu'une bonne emboutissabilité et une excellente soudabilité.
L'installation suivant l'invention est particulièrement indiquée pour la fabrication de masse de produits relativement peu coûteux, particulièrement en vue de leur utilisation dans la construction, l'industrie automobile et les applications domestiques.
Dans la description qui suit de l'invention, on traitera plus particulièrement de l'utilisation du dispositif pour la fabrication de bandes d'acier galvanisées, mais il ne s'agit là que d'un exemple d'utilisation, sans aucun caractère restrictif.
On connaît depuis longtemps l'effet bénéfique du zinc pour la protection des bandes d'acier contre la corrosion, notamment la corrosion atmosphérique. Il existe de nombreux procédés pour déposer en continu un revêtement de zinc sur une bande défilant à travers un bain de zinc fondu ; les revêtements obtenus de la sorte assurent en général une protection satisfaisante.
La durée de la protection offerte par un revêtement de zinc dépend largement de l'épaisseur de ce revêtement. Il est possible d'accroître la durée de protection, c'est-à-dire en fait la résistance à la corrosion de la bande revêtue, en augmentant l'épaisseur du revêtement. Outre diverses difficultés techniques, cette solution entraîne une sérieuse augmentation du prix de la bande revêtue.
On connaît également la technique dite de"galvannealing", qui consiste en une diffusion à chaud du fer de la bande dans la couche de zinc, en vue d'améliorer la résistance à la corrosion. La composition de la couche d'alliage fer-zinc ainsi obtenue conditionne diverses autres propriétés de la bande revêtue, en particulier son aptitude à l'emboutissage, au
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soudage et à la peinture. Cette technique ne s'avère intéressante que pour des revêtements de zinc de faible épaisseur, c'est-à-dire inférieure à 10 gm environ ; au-delà de cette valeur il se produit un poudrage excessif à l'emboutissage.
Enfin, il a également déjà été proposé de déposer un revêtement métallique complémentaire sur une bande d'acier revêtue d'une couche de zinc, en particulier un revêtement d'aluminium, pour augmenter la résistance à la corrosion du produit revêtu.
La présente invention se situe dans le cadre de la technique du dépôt complémentaire par évaporation sous vide, telle que décrite dans la demande de brevet belge n* 09400086 du 25 janvier 1994, sur une bande galvanisée, le terme galvanisée englobant aussi les bandes ayant subi un traitement de galvannealing. Le procédé en question permet de déposer un revêtement complémentaire ayant une épaisseur contrôlée.
Le revêtement métallique complémentaire déposé sur la bande par évaporation sous vide est par exemple constitué d'aluminium et son épaisseur est inférieure à 5 Am, et de préférence à 2 Am.
Il est à noter que la phase de revêtement complémentaire par évaporation sous vide peut s'insérer dans une ligne de fabrication de bandes revêtues en continu par immersion ; dans ce cas le coût d'investissement, soit de la transformation qui ne concerne qu'un tronçon particulier de la ligne, soit de la station de traitement à la sortie du bain d'immersion, est relativement limité.
La présente invention a pour premier objet un dispositif particulier d'évaporation sous vide comprenant un four de chauffage à induction.
La technique d'évaporation sous vide à l'aide d'un creuset chauffé par induction est en effet la solution technique qui a été retenue pour tenir compte des impératifs de base pour la fabrication des produits. Pour travailler dans des conditions économiques et donner des résultats techniques intéressants, il est en effet important d'avoir une vitesse élevée d'évaporation allant jusqu'à 5 à 8 grammes par seconde et par
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mètre de largeur de la bande à revêtir et il convient également d'avoir un dispositif à haute efficacité de dépôt, avec un minimum de 95 % pour diminuer le coût en métal évaporé et les arrêts pour nettoyage de l'installation ;
d'autre part il est impératif, étant donné qu'il s'agit de fabrication de masse, d'avoir des équipements périphériques, tels que les sas, les pompes, etc., d'un coût peu élevé, en même temps que l'on s'efforce de réduire les coûts d'opération et par exemple la force motrice nécessaire à la création du vide dans l'installation de revêtement ; pour ce faire, il faut réaliser le dépôt dans un vide aussi peu poussé que possible.
Ces conditions de vitesse élevée d'évaporation, qui dépendent de la température que l'on peut atteindre et de la puissance de chauffage, se retrouvent particulièrement dans les chauffages à induction.
Le dispositif conforme à la présente invention, constitué par une cuve d'évaporation sous vide chauffée par induction, est caractérisé en ce que l'orifice de sortie des vapeurs se présente sous la forme d'une fente de petite largeur, située à courte distance du substrat à revêtir.
De préférence, la fente est orientée transversalement par rapport à la bande et sa longueur est égale à la largeur de la bande à revêtir.
Dans une réalisation particulièrement avantageuse, le dispositif est pourvu d'un système de protection de la fente contre les projections de métal de revêtement provenant du bain, porté à très haute température par le système de chauffage à induction ; ce système est par exemple constitué par un treillis situé entre le bain et la fente de sortie des vapeurs.
Le dispositif suivant l'invention rencontre ainsi la condition impérieuse de haute efficacité grâce à la faible distance entre la sortie des vapeurs métalliques et le substrat à recouvrir, ce qui limite les pertes de métal par évaporation autour de l'appareil ; grâce à cette disposition il n'est pas nécessaire que l'installation se trouve sous vide poussé et en conséquence les accessoires, tels que les sas d'étanchéité, les pompes pour assurer le vide, etc, peuvent, être de construction plus simple et moins coûteuse. En même temps, à cause de la réalisation particulière du
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dispositif, les projections métalliques n'arrivent pas au contact du substrat.
L'invention sera à présent décrite en détail en faisant référence aux dessins annexés qui illustrent des exemples de réalisation. La figure 1 montre-dans ses principes-le dispositif d'évaporation sous vide proprement dit ; la figure 2 montre une installation de revêtement d'une bande par évaporation sous vide ; la figure 3 montre un tronçon de ligne industrielle de galvanisation équipé d'une installation de revêtement des deux faces d'une bande d'acier galvanisé.
Ces figures sont des représentations schématiques en coupe axiale sans échelle particulière, dans lesquelles on n'a reproduit que les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention. Des éléments identiques ou analogues sont toujours désignés par les mêmes repères numériques.
La figure 1 montre le creuset d'évaporation (1) pourvu d'un dispositif de chauffage par induction (2) ; le bain de métal (3) est porté à très haute température et évaporé en direction de la fente de sortie (4) située à très courte distance de la bande d'acier (5) en défilement ; cette bande d'acier est supportée par des rouleaux non représentés sur la figure. Au-dessus du bain et en dessous de la fente de sortie des vapeurs se trouve un dispositif d'arrêt (6) des projections métalliques émanant du bain porté à haute température. Le creuset (1) est isolé thermiquement par une garniture réfractaire (7).
La figure 2 montre une installation d'évaporation sous vide pour le revêtement d'une face de la bande d'acier. On y distingue à nouveau le creuset (1) avec son isolation thermique (7), ainsi que le système de chauffage par induction (2). Le creuset est alimenté en métal liquide à partir d'un réservoir (8) relié au creuset ; ce réservoir est maintenu sous atmosphère d'azote pour éviter l'oxydation du métal ; de plus, le
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réglage de la pression d'azote permet de régler le niveau dans le creuset (1).
La bande (5) en cours de revêtement est supportée par des paires de rouleaux (9) et (10), disposés à l'entrée respectivement à la sortie de l'enceinte entourant l'appareil d'évaporation proprement dit et ces paires de rouleaux constituent des sas d'étanchéité séparant l'air extérieur et cette enceinte ; des paires de rouleaux pinceurs (11,12, 13 et 14) maintiennent la bande sur la trajectoire passant à proximité de la fente par où sortent les vapeurs de métal de revêtement.
L'enceinte entourant le dispositif d'évaporation sous vide peut être constituée, comme représenté sur la figure 2, de plusieurs sections : les sections (15) et (16) situées respectivement à l'entrée et à la sortie (dans le sens du défilement de la bande) sont sous atmosphère gazeuse de HNx, les sections (17) en aval et (18) en amont des sections respectivement d'entrée (15) et de sortie (16) sont également sous atmosphère gazeuse HNx, mais à une pression moins élevée que les sections (15) et (16).
Ces sections (17) et (18), contiguës de la section sous vide (19), constituent des sas d'étanchéité pour maintenir le vide dans la section (19) reliée aux pompes à vide (non représentées) ; comme il a été dit plus haut, ce vide n'est pas très poussé et l'atmosphère résiduelle est constituée d'hydrogène que l'on introduit dans cette section (19) de l'enceinte.
La figure 3 représente un tronçon de ligne de galvanisation équipé de deux dispositifs (20) et (21) conformes à l'invention et installés de façon à revêtir par évaporation sous vide les deux faces d'une bande d'acier galvanisée (5) circulant dans l'enceinte commune aux dispositifs d'évaporation. Les dispositifs en question sont disposés sur des parcours horizontaux de défilement de la bande d'acier ; pour des raisons de clarté de la figure, on n'a pas représenté les rouleaux supports qui servent de guides pour la circulation de la bande en face des fentes de sortie des vapeurs métalliques.
A titre d'exemple des possibilités du dispositif de l'invention, on décrira ci-après les paramètres d'une utilisation sur une ligne de galvanisation équipée d'un four de réchauffage de 75 t/h ; la ligne permet ainsi de traiter des bandes de 1850 mm de largeur à une vitesse d'environ 130 m/minute. Avec deux creusets d'une capacité maximum d'évaporation de
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49,3 kg/h par creuset et une vitesse maximum d'évaporation de 7,605 grammes par seconde et par mètre de largeur de bande, on a déposé sur chaque face de la bande une couche d'aluminium de 1,3 Am d'épaisseur ; les fentes avaient une largeur de 6 mm et leur distance par rapport à la bande était de 30 mm.
Le dispositif de l'invention permet de fabriquer un produit revêtu qui présente une résistance nettement accrue à la corrosion, ainsi qu'une très bonne adhérence du revêtement et une aptitude élevée à la mise en forme à la presse. De plus, les faibles coûts d'investissement et de fonctionnement de l'installation rendent ce produit particulièrement économique.
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Device and installation for coating a steel strip.
The present invention relates to a device and an installation for manufacturing coated steel strips having excellent resistance to corrosion and oxidation, as well as good drawing and excellent weldability.
The installation according to the invention is particularly suitable for the mass production of relatively inexpensive products, particularly with a view to their use in construction, the automobile industry and domestic applications.
In the following description of the invention, we will deal more particularly with the use of the device for the manufacture of galvanized steel strips, but this is only an example of use, without any restrictive character. .
The beneficial effect of zinc has long been known for the protection of steel strips against corrosion, in particular atmospheric corrosion. There are many methods for continuously depositing a zinc coating on a strip running through a bath of molten zinc; coatings obtained in this way generally provide satisfactory protection.
The duration of protection offered by a zinc coating depends largely on the thickness of this coating. It is possible to increase the duration of protection, that is to say in fact the corrosion resistance of the coated strip, by increasing the thickness of the coating. In addition to various technical difficulties, this solution leads to a serious increase in the price of the coated tape.
The so-called "galvannealing" technique is also known, which consists of hot diffusion of the iron from the strip into the zinc layer, in order to improve the corrosion resistance. The composition of the iron-zinc alloy layer thus obtained conditions various other properties of the coated strip, in particular its ability to stamp,
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welding and painting. This technique is only advantageous for thin zinc coatings, that is to say less than about 10 gm; beyond this value, excessive dusting occurs when stamping.
Finally, it has also already been proposed to deposit an additional metallic coating on a steel strip coated with a layer of zinc, in particular an aluminum coating, to increase the corrosion resistance of the coated product.
The present invention is part of the technique of additional deposition by vacuum evaporation, as described in Belgian patent application no. 09400086 of January 25, 1994, on a galvanized strip, the term galvanized also encompassing strips that have undergone galvannealing treatment. The process in question makes it possible to deposit an additional coating having a controlled thickness.
The additional metallic coating deposited on the strip by vacuum evaporation consists for example of aluminum and its thickness is less than 5 Am, and preferably 2 Am.
It should be noted that the additional coating phase by vacuum evaporation can be inserted in a production line for strips coated continuously by immersion; in this case the investment cost, either of the transformation which concerns only a particular section of the line, or of the treatment station at the outlet of the immersion bath, is relatively limited.
The present invention first relates to a particular vacuum evaporation device comprising an induction heating oven.
The technique of vacuum evaporation using a crucible heated by induction is indeed the technical solution which has been chosen to take into account the basic requirements for the manufacture of products. To work in economic conditions and give interesting technical results, it is indeed important to have a high rate of evaporation of up to 5 to 8 grams per second and per
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meter width of the strip to be coated and it is also necessary to have a high-efficiency deposition device, with a minimum of 95% to reduce the cost of evaporated metal and the stops for cleaning the installation;
on the other hand it is imperative, since it is mass production, to have peripheral equipment, such as airlocks, pumps, etc., of low cost, at the same time as efforts are made to reduce operating costs and for example the driving force necessary to create a vacuum in the coating installation; to do this, the deposit must be made in a vacuum as low as possible.
These conditions of high evaporation rate, which depend on the temperature which can be reached and the heating power, are found particularly in induction heaters.
The device according to the present invention, consisting of an induction heated evaporation tank, is characterized in that the vapor outlet orifice is in the form of a slit of small width, located at short distance of the substrate to be coated.
Preferably, the slot is oriented transversely with respect to the strip and its length is equal to the width of the strip to be coated.
In a particularly advantageous embodiment, the device is provided with a system for protecting the slot against projections of coating metal coming from the bath, brought to very high temperature by the induction heating system; this system is for example constituted by a trellis located between the bath and the vapor outlet slot.
The device according to the invention thus meets the imperative condition of high efficiency thanks to the short distance between the outlet of the metallic vapors and the substrate to be covered, which limits the losses of metal by evaporation around the device; thanks to this arrangement it is not necessary that the installation is in a high vacuum and consequently the accessories, such as airlocks, pumps for ensuring the vacuum, etc., can be of simpler construction and less expensive. At the same time, because of the particular realization of the
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metal projections do not come into contact with the substrate.
The invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings which illustrate exemplary embodiments. Figure 1 shows - in principle - the actual vacuum evaporation device; FIG. 2 shows an installation for coating a strip by vacuum evaporation; Figure 3 shows a section of industrial galvanizing line equipped with a coating installation on both sides of a strip of galvanized steel.
These figures are schematic representations in axial section without any particular scale, in which only the elements necessary for understanding the invention have been reproduced. Identical or analogous elements are always designated by the same reference numerals.
Figure 1 shows the evaporation crucible (1) provided with an induction heating device (2); the metal bath (3) is brought to very high temperature and evaporated in the direction of the outlet slit (4) located at very short distance from the moving steel strip (5); this steel strip is supported by rollers not shown in the figure. Above the bath and below the vapor outlet slot is a device (6) for stopping metallic projections emanating from the bath brought to high temperature. The crucible (1) is thermally insulated by a refractory lining (7).
Figure 2 shows a vacuum evaporation installation for coating one side of the steel strip. We can again see the crucible (1) with its thermal insulation (7), as well as the induction heating system (2). The crucible is supplied with liquid metal from a reservoir (8) connected to the crucible; this tank is kept under a nitrogen atmosphere to avoid oxidation of the metal; in addition, the
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nitrogen pressure adjustment allows you to adjust the level in the crucible (1).
The strip (5) being coated is supported by pairs of rollers (9) and (10), disposed at the inlet respectively at the outlet of the enclosure surrounding the evaporation apparatus itself and these pairs of rollers constitute airlocks separating the outside air and this enclosure; pairs of pinch rollers (11, 12, 13 and 14) hold the strip on the path passing near the slot through which the coating metal vapors exit.
The enclosure surrounding the vacuum evaporation device can be made up, as shown in FIG. 2, of several sections: sections (15) and (16) located respectively at the inlet and at the outlet (in the direction of running of the strip) are under a HNx gas atmosphere, the sections (17) downstream and (18) upstream of the inlet (15) and outlet (16) sections respectively are also under a HNx gas atmosphere, but at a lower pressure than sections (15) and (16).
These sections (17) and (18), adjacent to the vacuum section (19), constitute airlocks to maintain the vacuum in the section (19) connected to the vacuum pumps (not shown); as mentioned above, this vacuum is not very high and the residual atmosphere consists of hydrogen which is introduced into this section (19) of the enclosure.
FIG. 3 represents a section of galvanizing line equipped with two devices (20) and (21) according to the invention and installed so as to coat by evaporation under vacuum the two faces of a strip of galvanized steel (5) circulating in the enclosure common to the evaporation devices. The devices in question are arranged on horizontal travel paths for the steel strip; for reasons of clarity of the figure, the support rollers have not been shown which serve as guides for the circulation of the strip in front of the metal vapor outlet slots.
By way of example of the possibilities of the device of the invention, the parameters of use on a galvanizing line equipped with a heating furnace of 75 t / h will be described below; the line thus makes it possible to process strips of 1850 mm in width at a speed of around 130 m / minute. With two crucibles with a maximum evaporation capacity of
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49.3 kg / h per crucible and a maximum evaporation rate of 7.605 grams per second and per meter of strip width, an aluminum layer 1.3 Am thick has been deposited on each side of the strip ; the slots were 6 mm wide and their distance from the strip was 30 mm.
The device of the invention makes it possible to manufacture a coated product which has a markedly increased resistance to corrosion, as well as a very good adhesion of the coating and a high formability for press forming. In addition, the low investment and operating costs of the installation make this product particularly economical.