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PROCEDE ET DISPOSITIF DE CHAUFFAGE DE FIL METALLIQUE
La présente invention est relative à un procédé de chauffage de fil métallique, comprenant une formation d'un lit fluidisé par passage d'un agent fluidisant à travers un milieu particulaire fluidisable, un chauffage du lit fluidisé, et un défilement à travers le lit fluidisé chauffé d'au moins un fil métallique à chauffer. Elle concerne aussi un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
On connaît déjà depuis quelques années des fours de chauffage de fil faisant appel à un lit fluidisé et la présente demanderesse a déjà mis sur le marché de tels fours, notamment pour la diffusion de revêtements de Cu-Zn dans des fils d'acier.
La demanderesse a en effet constaté qu'un bon échange thermique pouvait être obtenu entre des particules chauffées du lit fluidisé, qui sont en quelque sorte bombardées à la surface des fils en défilement dans le lit, et les fils eux-mêmes.
Un procédé, tel qu'indiqué ci-dessus, a été décrit dans le brevet japonais 2623004. Le chauffage du lit s'effectue suivant une forme de réalisation à l'aide de l'agent fluidisant qui consiste en gaz de fumées résultant de la combustion d'un gaz de combustion dans de l'air, cet agent fluidisant étant injecté dans le fond du lit fluidisé par des lances perforées, très sophistiquées pour empêcher une pénétration des particules du lit dans la lance. Suivant une autre forme de réalisation, une source de chaleur extérieure au lit fluidisé est formée de brûleurs situés au-dessus du lit fluidisé et projetant une flamme ou des gaz chauds verticalement sur celui-ci.
Le procédé suivant ce document antérieur permet d'atteindre dans le lit fluidisé une température seulement modérée de 470 à 550 C. Dans sa première forme de réalisation, il est limité par la
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complexité même des lances alimentant le lit en agent fluidisant, de telles lances ne pouvant supporter l'agressivité de gaz de fumées d'une température trop élevée, au risque de devoir être remplacées très régulièrement. Quant au chauffage vertical par le haut, il présente l'inconvénient d'être peu efficace et surtout d'entraîner un manque d'uniformité dans la température du lit.
En effet, les brûleurs utilisés ont chacun un impact ponctuel sur le lit avec pour conséquence de petites surfaces du lit très chaudes et les parties avoisinantes beaucoup moins, ce qui est évidemment à éviter pour obtenir un traitement adéquat des fils.
La présente invention a pour but de surmonter ces problèmes et de permettre un chauffage rapide et uniforme du lit fluidisé et donc des fils à traiter, et cela à un bon rendement énergétique. Elle a également pour but de mettre au point un procédé et un dispositif de chauffage de fil métallique par l'intermédiaire d'un lit fluidisé, qui permettent un chauffage des fils, non seulement aux températures indiquées cidessus, mais à des températures nettement supérieures, par exemple pour permettre une austénitisation de fils d'acier.
La présente invention a également pour but d'offrir une solution à l'encombrement parfois important des fours, en particulier des fours utilisés dans l'austénitisation des fils en acier, le recuit de fils en acier doux, la diffusion de revêtements Zn-Cu dans des fils d'acier, etc.... tout en atteignant des qualités de fils traités équivalentes ou même supérieures
En effet, classiquement, la chauffe du fil ou de la nappe de fils dans les procédés de patentage de fils se réalise soit dans des fours à feu nu soit dans des fours à tubes, sans intervention de lit fluidisé.
Lorsqu'il s'agit d'acier non allié, le chauffage est généralement réalisé dans des fours à feu nu dont les atmosphères, obtenues par
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combustion d'un gaz et d'un comburant, sont réglées de telle sorte à être : a) oxydantes dans la première phase d'échauffement des produits de façon à brûler les résidus de diverses natures pouvant se trouver à leur surface, b) réductrices par rapport au produit, lorsque ce dernier a dépassé la phase de transformation allotropique afin d'éviter une oxydation et une décarburation en surface des produits.
Lorsqu'il s'agit d'acier allié, un état de surface particulier est généralement recherché. Les produits sont, dès lors, chauffés par des tubes rayonnants parcourus par un gaz protecteur permettant ainsi de conserver un état de surface impeccable aux produits durant toute sa phase d'échauffement.
Dans les deux cas, le temps de chauffage est relativement long étant donné les faibles coefficients de transfert calorifique, soit par convection dans le cas de fours à feu nu, soit par rayonnement pur dans le cas de fours à tubes.
La longueur du four nécessaire au chauffage du fil à une température d'austénitisation de l'ordre de 9500C prend alors une importance qui joue au détriment du processus suivant, la période d'égalisation de température au sein de la masse métallique du fil ("soaking") qui ne peut qu'être courte (normalement quelques secondes) si l'on veut maintenir des dimensions du four dans des limites acceptables pour les utilisateurs de four. Il en résulte une mauvaise dissolution de la cémentite présente aux joints des grains d'austénite pendant le chauffage des fils.
On résout les problèmes cités ci-dessus par un procédé de chauffage de fil métallique, tel qu'indiqué au début, dans lequel l'étape de chauffage comprend au moins un chauffage du lit fluidisé, qui est
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produit sensiblement tangentiellement à une surface supérieure moyenne de celui-ci.
Comme il est connu, un lit fluidisé est formé de particules de matière solide qui sont amenées en suspension par l'entraînement d'un agent fluidisant, normalement un gaz, qui traverse le lit de bas en haut.
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Au cours de cette traversée l'agent fluidisant porte vers le haut les particules dont certaines sont projetées en forme de vagues ou de protubérances plus haut que d'autres. On obtient donc, en section transversale du lit, une bande supérieure très mouvementée, dont la surface supérieure est continuellement variable en hauteur, et qui représente une partie du lit moins dense en particules.
Par l'expression surface supérieure moyenne du lit fluidisé, il faut donc entendre suivant l'invention la surface qui se situe à la hauteur moyenne entre les creux et les sommets des vagues existant à la surface supérieure du lit.
Par le chauffage tangentiel à cette surface supérieure moyenne, les particules du lit fluidisé, qui se trouvent là dans un état peu dense, fort dispersé, peuvent être chauffées à des températures extrêmement élevées, proches de l'incandescence, et le lit peut atteindre en très peu de temps des températures pouvant dépasser même les 1000oC. Les particules ainsi fortement chauffées, transfèrent la chaleur aux autres particules qui seront en contact avec les fils en obtenant un échange thermique optimal à une vitesse impossible à envisager conformément à l'enseignement de la technique antérieure. Par ailleurs, le chauffage tangentiel est indépendant de l'agent fluidisant et les lances perforées projetant cet agent ne sont pas agressées par des gaz de fumées portés à des températures excessives.
Suivant une forme de réalisation de l'invention, ledit au moins un chauffage tangentiel est orienté transversalement par rapport à une
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direction de défilement desdits au moins un fil métallique à chauffer. Par son orientation transversale et tangentielle le chauffage du lit fluidisé permet un chauffage uniforme et étalé sur toute la largeur du lit des particules en suspension dans le lit, ce qui permet un chauffage uniforme des fils en défilement dans le four.
Suivant une forme de réalisation avantageuse de l'invention, ledit au moins un chauffage tangentiel comprend une projection d'au moins une flamme tangentiellement à ladite surface supérieure moyenne du lit fluidisé. A l'aide d'un tel procédé, les flammes projetées à partir de brûleurs chauffent directement les particules du lit fluidisé, sans que des gaz brûlés à haute température ne doivent passer à travers un tube perforé, fragile dans ces conditions. L'agencement est simple et hautement efficace.
Suivant une forme de réalisation particulière de l'invention, ledit au moins un chauffage tangentiel comprend un échange de chaleur entre un milieu chauffant et le lit fluidisé par l'intermédiaire d'au moins un tube qui est disposé tangentiellement à ladite surface supérieure moyenne du lit fluidisé et à travers lequel passe ledit milieu chauffant.
On peut ainsi chauffer efficacement et rapidement des fils en acier allié qui ne peuvent entrer en contact avec des gaz de fumée. L'échange thermique se produit de manière remarquable entre un simple tube, non perforé, au travers duquel passe le milieu chauffant et les particules peu denses du lit qui viennent lécher les parois du tube chauffé.
Suivant une forme de réalisation perfectionnée de l'invention, le procédé comprend un chauffage de fils en acier à une température de fil de 950 C, une sortie des fils hors du lit fluidisé chauffé et un maintien des fils à cette température pendant une période d'égalisation de température au sein de la masse métallique des fils comprise entre 15
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et 20 secondes, pendant laquelle il se produit une dissolution de carbures présents dans l'acier des fils.
La conclusion des nombreux tests réalisés est qu'un temps d'égalisation de température au sein de la masse métallique de l'ordre de 20 secondes permet d'obtenir une dissolution quasi totale des carbures sans avoir de grossissement des grains d'austénite (taille
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inférieure à 35 um).
Les 20 secondes de temps de maintien à la température d'austénitisation vu la vitesse de défilement des fils (qui peut être de l'ordre de 30 m/min et même de 60 m/min) font que cette zone de four devient évidemment excessive en terme de longueur dans le cas d'une conception classique de four de patentage. Cette zone étant située juste après la zone nécessaire au chauffage du fil ou de la nappe de fils, ces longueurs totalisées conduisent à des longueurs d'installation inacceptables sur les plans de manipulation et d'utilisation de la ligne ainsi que pour un aspect financier.
Au contraire, étant donné l'excellent coefficient de transfert thermique par l'intermédiaire du lit fluidisé chauffé suivant l'invention, la température de chauffe des fils, pendant laquelle se produit l'austénitisation des fils, peut être drastiquement raccourcie, et donc on peut à présent envisager une période de maintien en température d'austénitisation de l'ordre de 20 secondes sans grever le coût de l'installation à un niveau commercialement indéfendable, et en permettant d'obtenir des fils en acier totalement décarburés.
De plus, cette forme de réalisation permet de décomposer l'installation en deux unités, l'une relativement courte, sous la forme d'un four à lit fluidisé et l'autre consistant en un simple tube ou caisson isolé où les fils défilent en étant maintenus à température par des moyens simples tels que des éléments chauffants électriques, des brûleurs à gaz du type rayonnant,
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l'agent fluidisant recirculé depuis le four allongé, ou encore un second lit fluidisé.
D'autres particularités du procédé suivant l'invention sont indiquées dans les revendications 1 à 9 qui suivent.
On a également prévu, suivant l'invention, un dispositif de chauffage de fil métallique, comprenant un four allongé dans lequel un lit fluidisé est formé par passage d'un agent fluidisant à travers un milieu particulaire fluidisable, des moyens de chauffage du lit fluidisé, et des moyens d'entraînement d'au moins un fil métallique à chauffer qui le font défiler à travers le lit fluidisé chauffé, ce dispositif comprenant au moins des moyens de chauffage du lit fluidisé qui produisent un chauffage sensiblement tangentiellement à une surface supérieure moyenne de celui-ci.
D'autres détails concernant les dispositifs suivant l'invention sont indiqués dans les revendications 10 à 16 qui suivent.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre non limitatif, de quelques exemples de réalisation de dispositifs suivant l'invention, avec référence aux dessins annexés.
Les figures 1 à 3 représentent une vue en coupe transversale de trois variantes de réalisation de four à lit fluidisé suivant l'invention.
La figure 4 représente une vue du dessus du four représenté sur la figure 1.
La figure 5 représente un dispositif comprenant deux unités successives, l'une pour la chauffe des fils et l'autre pour le maintien en température.
La figure 6 représente un graphique illustrant la variation de température du fil défilant dans le four en fonction du temps.
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Dans les différents dessins, les éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes références.
Sur la figure 1, on a représenté en coupe transversale un four allongé 1 contenant un lit fluidisé 2. Le lit fluidisé 2 est formé de particules relativement finement divisées en une matière résistant aux hautes températures et de préférence inerte vis-à-vis des fils à chauffer. On peut envisager par exemple des particules de silice, de zircone, d'alumine ou d'autres matières réfractaires ayant une bonne aptitude à transmettre de la chaleur aux corps qui sont en contact avec elles. On peut citer tout particulièrement des sables d'alumine, par exemple de granulométrie F90 selon la norme FEPA 42F 1984, ou des sables de zircon.
Un agent fluidisant, tel que par exemple de l'air, de l'azote, de l'ammoniac, est introduit à haute pression et dans le cas présent à la température ambiante à la base du lit fluidisé, par l'intermédiaire d'une lance perforée 3. Tout gaz protecteur judicieusement choisi en fonction de la nature de l'acier peut être utilisé dans ce but. Par sa pression et son débit, l'agent fluidisant emporte les particules du lit vers le haut et les amène en suspension. Cette suspension de type tourbillonnaire se manifeste en haut du lit 2 par la formation de vagues, la surface supérieure moyenne du lit étant représentée par un trait mixte 4.
Il faut noter que le chauffage du lit fluidisé se fait indépendamment de l'agent fluidisant. Celui-ci, froid ou à température ambiante, ne sollicite aucunement la lance par laquelle il est projeté dans le lit fluidisé et la durée de vie des lances en est par conséquent très largement augmentée par rapport aux lances selon la technique antérieure qui servent à la fois à la fluidisation et au chauffage du lit.
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L'agent de fluidisation très chaud après son passage au travers du lit est récupéré alors au haut du four par un conduit d'échappement 5 (v. figure 5).
Dans les exemples illustrés sur les figures, une nappe de fils 6 défile dans le four en suivant la direction longitudinale du four qui est perpendiculaire au plan du dessin, à une vitesse qui est calculée en fonction d'une constante fixée par les impératifs de production et donc de capacité de la ligne de traitement. Cette constante est égale au produit du diamètre du fil exprimé en mm et de la vitesse du fil exprimée en m/minute. Donc, plus le fil est mince, plus sa vitesse de défilement sera rapide et inversement. Il faut noter qu'on pourrait
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envisager le défilement d'un seul fil à la fois dans le four, ou le défilement de plusieurs fils de différents diamètres, ou le défilement de plusieurs nappes superposées à la fois.
Ainsi qu'il est illustré sur la figure 1, les moyens de chauffage du lit fluidisé consistent en plusieurs brûleurs 7 (v. aussi figure 4) qui sont, dans cet exemple, disposés de part et d'autre de la nappe de fils à chauffer et qui projettent leur flamme ou fumées transversalement à la direction de défilement des fils. Les flammes ou fumées sont en particulier projetées tangentiellement à ladite surface supérieure moyenne 4 du lit fluidisé en chauffant ainsi directement les particules en suspension dans une bande du lit où elles sont moins denses et donc plus aisément portées quasiment à incandescence.
Il est évident que, si dans les exemples illustrés la direction dite tangentielle de la flamme ou des fumées coïncide parfaitement avec la surface 4 représentée, on peut envisager de disposer les brûleurs légèrement en oblique par rapport à cette flamme ou ces fumées, pour autant que l'on obtienne toujours un chauffage bien étalé à la surface du lit et que les fils ne soient pas atteints par la flamme ou les fumées.
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La flamme des brûleurs et les fumées produites à la sortie du brûleur résultent d'une manière courante de la combustion d'un combustible et d'un comburant, par exemple d'un gaz ou liquide
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combustible, tel que CH4, fuel, etc..., et d'air, enrichi ou non en oxygène, ou même d'oxygène considéré industriellement pur. Les gaz de fumées formés sont alors récupérés par le conduit d'échappement 5, simultanément à l'agent fluidisant chauffé.
Ainsi qu'il ressort de la figure 4, les brûleurs sont disposés de manière alternée à gauche et à droite de la nappe de fils et la flamme et le jet de gaz brûlés très chauds qui l'accompagne s'étendent transversalement sur toute la largeur du four. Cette disposition offre l'avantage de permettre un chauffage très uniforme du lit fluidisé et donc des fils à traiter.
Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 2, les fils à chauffer ne peuvent entrer en contact avec des gaz brûlés pour conserver leur état de surface. Le chauffage du lit se fait ici aussi tangentiellement à la surface supérieure moyenne 4 du lit, mais par l'intermédiaire d'un tube non perforé 8 que viennent lécher les vagues des particules du lit, qui sont ainsi portées à haute température. Les gaz brûlés sortent par un conduit de sortie 9 par lequel ils peuvent être récupérés.
La forme de réalisation illustrée sur la figure 3 est du même type que celle représentée sur la figure 2. Toutefois, dans ce cas, on a prévu un caisson 10 situé en dessous du lit fluidisé et en communication avec la lance de projection 3. Un ou des brûleurs 11 sont agencés dans ce caisson et permettent d'obtenir des fumées chaudes jusqu'à une température modérée, supérieure à la température ambiante, par exemple de l'ordre de 400 à 500 C, où les fumées ne sont pas encore exagérément agressives pour les lances 3.
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Cette forme de réalisation permet une efficacité encore accrue du chauffage du lit fluidisé. Il est bien entendu qu'on pourrait aussi prévoir cet agencement avec celui des brûleurs à flamme nue tel qu'illustré sur la figure 1.
Les fils à traiter dans les fours suivant l'invention sont par exemple des fils d'acier que l'on va soumettre à une opération de patentage.
L'opération de patentage est un processus bien connu dans le monde du tréfilage, il consiste à porter, dans un premier temps, la température d'un fil ou d'une nappe de fils métalliques à un niveau tel que l'on obtienne une transformation de la ferrite et perlite ou perlite et cémentite en austénite.
Dans un deuxième temps, on réalise ce que l'on appelle une trempe isothermique de façon à retransformer l'austénite (préalablement obtenue par chauffage) en perlite fine afin d'obtenir de bonnes propriétés mécaniques et, spécialement, une excellente aptitude au tréfilage.
Pendant l'étape de chauffage du fil, il faut atteindre une température de l'ordre de 950 C pour obtenir une austénitisation de l'acier. Toutefois, avant de passer à la trempe, une période d'égalisation de température au sein de la masse métallique, dite "soaking", s'avère favorable pour dissoudre les carbures présents aux joints de grains d'austénite.
Ainsi qu'il est illustré sur la figure 5, dans un dispositif suivant l'invention on va pouvoir prévoir deux unités distinctes, une unité de chauffe 1 et une unité d'égalisation de température 12.
L'unité de chauffe est constituée d'un four 1 à lit fluidisé 2, tel que précédemment décrit, qui peut être relativement court, étant donné l'excellent coefficient de transfert thermique de ce type de four. Le fil 6
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défile en continu à travers ce four qui peut avoir une longueur de par exemple 5 à 6 m. Dans le fond du four, un caisson 10 du type de celui représenté sur la figure 3 est agencé pour permettre un chauffage préalable du milieu fluidisant. La température du sable fluidisé chauffé suivant l'invention peut avantageusement atteindre environ 1000 C.
Le fil 6 sort ainsi du four 1 à une température d'environ 9500C et passe alors dans l'unité d'égalisation de température 12, par l'intermédiaire d'une trémie étanche 13. L'unité 12 est constituée d'un caisson ou tube parfaitement isolé du point de vue thermique. Dans celui-ci il suffit de maintenir la température de fil acquise de 950 C et un échange thermique permettant un chauffage n'est plus nécessaire.
Dans le cas illustré, ce maintien à température est réalisé par un recyclage des gaz brûlés de l'unité 1 par le conduit d'échappement 5.
Les gaz brûlés dégagés sont amenés à un moyen de filtrage, par exemple un cyclone 14, et les gaz filtrés encore chauds ou partiellement chauffés de manière complémentaire sont amenés à l'aide d'une pompe 15 à l'unité 12 pour le maintien à température du fil.
La dissolution des carbures (cémentite) s'accomplit dans l'unité 12, qui a une longueur d'environ 4 m et dans laquelle, en défilant, le fil reste environ 20 secondes. A la sortie de l'unité 12, le fil passe à un dispositif de trempe 16 uniquement partiellement représenté.
Le dispositif total de cet exemple a donc une longueur tout à fait acceptable en termes d'encombrement d'environ 9 à 10 m.
Un exemple de réalisation non limitatif va à présent être donné pour expliquer l'invention de manière plus détaillée.
Exemple Un fil en acier de type eutectoïde et d'un diamètre de 3 mm est introduit dans un four à lit fluidisé équipé suivant l'invention dont la constante
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DV (diamètre de fil (mm) x vitesse de défilement (m/min)) est de 36. Le lit fluidisé est constitué de AI203 - F90, d'une granulométrie de 106 à
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250 um. Il est maintenu en suspension par un gaz fluidisant, ici de l'air, présentant une pression minimum de 370 mm H20 et un débit de 250 Nm3/h. Le gaz fluidisant est introduit par le bas du lit fluidisé à la température ambiante.
Des brûleurs projettent tangentiellement à la surface supérieure moyenne du lit fluidisé des fumées résultant de la combustion de gaz et d'air de combustion, de façon à chauffer les particules du lit fluidisé quasiment à l'incandescence et à obtenir un lit d'une température moyenne d'environ 1000 C. Les fumées des brûleurs sont en contact direct avec le lit fluidisé.
Ainsi qu'il ressort de la courbe A du graphique donné à la figure 6, le fil atteint une température de 950 C après environ 20 secondes de défilement, au maximum 30 secondes, c'est-à-dire que la longueur du four à lit fluidisé suivant l'invention peut se limiter à une valeur d'environ 5 m, pour la constante DV choisie ci-dessus.
Sur une longueur de 4 m, qui correspond à une période de passage de 20 secondes du fil, celui-ci est maintenu dans l'unité 12 à la température de 950 C, pour la dissolution de la cémentite tertiaire.
A titre de comparaison, on a fait défiler un fil identique à travers un four à feu nu classique, sans lit fluidisé, de type haute convection.
On peut remarquer sur la courbe B que le fil doit être chauffé pendant environ 50 secondes pour atteindre la température d'austénitisation et que la période d'égalisation de température au sein de la masse métallique ne peut s'effectuer, dans un four d'une même longueur et avec une même constante DV, que pendant 3 à 4 secondes, ce qui est insuffisant pour obtenir une bonne dissolution des carbures (cémentite tertiaire).
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Il doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées.
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METHOD AND DEVICE FOR HEATING METAL WIRE
The present invention relates to a method of heating metal wire, comprising forming a fluidized bed by passing a fluidizing agent through a fluidizable particulate medium, heating the fluidized bed, and passing through the fluidized bed heated with at least one metal wire to be heated. It also relates to a device for implementing this method.
Wire heating furnaces using a fluidized bed have already been known for a few years and the present applicant has already placed such ovens on the market, in particular for the diffusion of Cu-Zn coatings in steel wires.
The Applicant has in fact found that good heat exchange could be obtained between heated particles of the fluidized bed, which are in a way bombarded on the surface of the threads running in the bed, and the threads themselves.
A method, as indicated above, has been described in Japanese patent 2623004. The heating of the bed is carried out according to one embodiment using the fluidizing agent which consists of flue gases resulting from the combustion of a combustion gas in air, this fluidizing agent being injected into the bottom of the fluidized bed by perforated lances, very sophisticated to prevent penetration of particles from the bed into the lance. According to another embodiment, a heat source external to the fluidized bed is formed of burners located above the fluidized bed and projecting a flame or hot gases vertically on it.
The process according to this prior document makes it possible to reach in the fluidized bed a temperature only moderate from 470 to 550 C. In its first embodiment, it is limited by the
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even complexity of the lances supplying the bed with a fluidizing agent, such lances being unable to withstand the aggressiveness of flue gas at too high a temperature, at the risk of having to be replaced very regularly. As for vertical heating from above, it has the drawback of being ineffective and above all of causing a lack of uniformity in the temperature of the bed.
Indeed, the burners used each have a punctual impact on the bed with the consequence of small very hot surfaces of the bed and the neighboring parts much less, which is obviously to be avoided to obtain an adequate treatment of the wires.
The object of the present invention is to overcome these problems and to allow rapid and uniform heating of the fluidized bed and therefore of the wires to be treated, and this at a good energy yield. It also aims to develop a method and a device for heating metal wire by means of a fluidized bed, which allow heating of the wires, not only at the temperatures indicated above, but at clearly higher temperatures, for example to allow austenitization of steel wires.
The present invention also aims to offer a solution to the sometimes large dimensions of ovens, in particular ovens used in the austenitization of steel wires, the annealing of mild steel wires, the diffusion of Zn-Cu coatings. in steel wires, etc ... while achieving equivalent or even higher qualities of treated wires
In fact, conventionally, the heating of the wire or of the layer of wires in the methods of patenting wires is carried out either in ovens with open fire or in tube ovens, without the intervention of a fluidized bed.
In the case of unalloyed steel, the heating is generally carried out in ovens with naked fire whose atmospheres, obtained by
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combustion of a gas and an oxidizer, are regulated so as to be: a) oxidizing in the first heating phase of the products so as to burn residues of various kinds which may be on their surface, b) reducing compared to the product, when the latter has passed the allotropic transformation phase in order to avoid oxidation and decarburization at the surface of the products.
When it comes to alloy steel, a particular surface finish is generally sought. The products are, therefore, heated by radiant tubes traversed by a protective gas, thus allowing the products to maintain an impeccable surface state throughout its heating phase.
In both cases, the heating time is relatively long, given the low heat transfer coefficients, either by convection in the case of open fire ovens, or by pure radiation in the case of tube ovens.
The length of the oven necessary for heating the wire to an austenitization temperature of the order of 9500C then takes on an importance which plays to the detriment of the following process, the period of temperature equalization within the metallic mass of the wire (" soaking ") which can only be short (normally a few seconds) if the dimensions of the oven are to be kept within acceptable limits for oven users. This results in poor dissolution of the cementite present at the joints of the austenite grains during the heating of the wires.
The problems mentioned above are solved by a method of heating metal wire, as indicated at the beginning, in which the heating step comprises at least one heating of the fluidized bed, which is
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produced substantially tangentially to an average upper surface thereof.
As is known, a fluidized bed is formed of particles of solid material which are brought into suspension by the entrainment of a fluidizing agent, normally a gas, which crosses the bed from bottom to top.
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During this crossing, the fluidizing agent carries upwards the particles, some of which are projected in the form of waves or protuberances higher than others. There is therefore obtained, in cross section of the bed, a very animated upper band, the upper surface of which is continuously variable in height, and which represents a part of the bed less dense in particles.
By the expression “average upper surface of the fluidized bed”, it is therefore to be understood according to the invention the surface which is situated at the average height between the hollows and the tops of the waves existing at the upper surface of the bed.
By tangential heating to this medium upper surface, the particles of the fluidized bed, which are there in a sparse, highly dispersed state, can be heated to extremely high temperatures, close to incandescence, and the bed can reach in temperatures can exceed even 1000oC for a very short time. The particles thus strongly heated, transfer the heat to the other particles which will be in contact with the wires by obtaining an optimal heat exchange at a speed impossible to envisage in accordance with the teaching of the prior art. Furthermore, the tangential heating is independent of the fluidizing agent and the perforated lances projecting this agent are not attacked by flue gases brought to excessive temperatures.
According to one embodiment of the invention, said at least one tangential heating is oriented transversely with respect to a
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direction of travel of said at least one metal wire to be heated. By its transverse and tangential orientation the heating of the fluidized bed allows uniform heating and spread over the entire width of the bed of the particles suspended in the bed, which allows uniform heating of the threads running in the oven.
According to an advantageous embodiment of the invention, said at least one tangential heating comprises a projection of at least one flame tangentially to said average upper surface of the fluidized bed. Using such a method, the flames projected from burners directly heat the particles of the fluidized bed, without gases burned at high temperature having to pass through a perforated tube, fragile under these conditions. The layout is simple and highly efficient.
According to a particular embodiment of the invention, said at least one tangential heating comprises a heat exchange between a heating medium and the fluidized bed by means of at least one tube which is disposed tangentially to said average upper surface of the fluidized bed and through which said heating medium passes.
It is thus possible to efficiently and quickly heat alloy steel wires which cannot come into contact with flue gases. The heat exchange takes place remarkably between a simple, non-perforated tube, through which the heating medium and the sparse particles of the bed pass which lick the walls of the heated tube.
According to an improved embodiment of the invention, the method comprises heating steel wires to a wire temperature of 950 ° C., removing the wires from the heated fluidized bed and keeping the wires at this temperature for a period of temperature equalization within the metallic mass of the wires between 15
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and 20 seconds, during which there occurs a dissolution of carbides present in the steel of the wires.
The conclusion of the numerous tests carried out is that a temperature equalization time within the metal mass of the order of 20 seconds makes it possible to obtain an almost total dissolution of the carbides without having a magnification of the austenite grains (size
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less than 35 µm).
The 20 seconds of holding time at the austenitization temperature given the speed of travel of the wires (which can be of the order of 30 m / min and even of 60 m / min) means that this oven zone obviously becomes excessive in terms of length in the case of a conventional patenting oven design. This zone being located just after the zone necessary for the heating of the wire or the layer of wires, these totalized lengths lead to installation lengths which are unacceptable in terms of handling and use of the line as well as for a financial aspect.
On the contrary, given the excellent heat transfer coefficient via the heated fluidized bed according to the invention, the heating temperature of the wires, during which the austenitization of the wires occurs, can be drastically shortened, and therefore can now envisage a period of maintaining austenitization temperature of the order of 20 seconds without increasing the cost of the installation to a commercially untenable level, and by making it possible to obtain completely decarburized steel wires.
In addition, this embodiment makes it possible to decompose the installation into two units, one relatively short, in the form of a fluidized bed oven and the other consisting of a simple tube or insulated box where the wires pass in being kept at temperature by simple means such as electric heating elements, gas burners of the radiating type,
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the fluidizing agent recirculated from the elongated oven, or a second fluidized bed.
Other features of the process according to the invention are indicated in claims 1 to 9 which follow.
There is also provided, according to the invention, a wire heating device, comprising an elongated oven in which a fluidized bed is formed by passing a fluidizing agent through a fluidizable particulate medium, means for heating the fluidized bed , and means for driving at least one metal wire to be heated which make it pass through the heated fluidized bed, this device comprising at least means for heating the fluidized bed which produce heating substantially tangentially to an upper average surface. of it.
Other details concerning the devices according to the invention are indicated in claims 10 to 16 which follow.
Other details and particularities of the invention will emerge from the description given below, without implied limitation, of some exemplary embodiments of devices according to the invention, with reference to the appended drawings.
Figures 1 to 3 show a cross-sectional view of three alternative embodiments of a fluidized bed oven according to the invention.
FIG. 4 represents a top view of the furnace shown in FIG. 1.
FIG. 5 represents a device comprising two successive units, one for heating the wires and the other for maintaining the temperature.
FIG. 6 represents a graph illustrating the variation in temperature of the wire passing through the oven as a function of time.
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In the various drawings, identical or analogous elements are designated by the same references.
In Figure 1, there is shown in cross section an elongated oven 1 containing a fluidized bed 2. The fluidized bed 2 is formed of particles relatively finely divided into a material resistant to high temperatures and preferably inert with respect to the son to heat. One can consider for example particles of silica, zirconia, alumina or other refractory materials having a good ability to transmit heat to the bodies which are in contact with them. Mention may very particularly be made of alumina sands, for example of grain size F90 according to standard FEPA 42F 1984, or zircon sands.
A fluidizing agent, such as for example air, nitrogen, ammonia, is introduced at high pressure and in this case at room temperature at the base of the fluidized bed, via a perforated lance 3. Any protective gas judiciously chosen according to the nature of the steel can be used for this purpose. By its pressure and its flow, the fluidizing agent carries the particles from the bed upwards and brings them into suspension. This swirl type suspension manifests itself at the top of the bed 2 by the formation of waves, the mean upper surface of the bed being represented by a dashed line 4.
It should be noted that the heating of the fluidized bed takes place independently of the fluidizing agent. The latter, cold or at room temperature, does not in any way stress the lance by which it is projected into the fluidized bed and the lifespan of the lances is consequently very greatly increased compared to the lances according to the prior art which are used for the both fluidization and heating of the bed.
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The very hot fluidizing agent after passing through the bed is then recovered at the top of the furnace by an exhaust duct 5 (see FIG. 5).
In the examples illustrated in the figures, a layer of wires 6 passes through the oven in the longitudinal direction of the oven which is perpendicular to the plane of the drawing, at a speed which is calculated as a function of a constant fixed by production requirements and therefore the capacity of the processing line. This constant is equal to the product of the diameter of the wire expressed in mm and the speed of the wire expressed in m / minute. Therefore, the thinner the wire, the faster its running speed and vice versa. It should be noted that we could
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consider the running of a single wire at a time in the oven, or the running of several wires of different diameters, or the running of several superimposed layers at the same time.
As illustrated in Figure 1, the fluidized bed heating means consist of several burners 7 (see also Figure 4) which are, in this example, arranged on either side of the sheet of son to heat and which project their flame or smoke transversely to the direction of travel of the wires. The flames or fumes are in particular projected tangentially to said average upper surface 4 of the fluidized bed, thereby directly heating the particles in suspension in a strip of the bed where they are less dense and therefore more easily carried almost incandescently.
It is obvious that, if in the examples illustrated the so-called tangential direction of the flame or of the fumes coincides perfectly with the surface 4 shown, it is possible to envisage having the burners slightly oblique with respect to this flame or these fumes, provided that one always obtains a well spread heating on the surface of the bed and that the threads are not reached by the flame or the fumes.
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The flame of the burners and the fumes produced at the outlet of the burner commonly result from the combustion of a fuel and an oxidizer, for example a gas or liquid
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fuel, such as CH4, fuel, etc., and air, enriched or not with oxygen, or even oxygen considered industrially pure. The flue gases formed are then recovered by the exhaust pipe 5, simultaneously with the heated fluidizing agent.
As can be seen in FIG. 4, the burners are arranged alternately to the left and to the right of the sheet of wires and the flame and the very hot jet of burnt gas which accompanies it extend transversely over the entire width from the oven. This arrangement offers the advantage of allowing very uniform heating of the fluidized bed and therefore of the wires to be treated.
In the embodiment illustrated in FIG. 2, the wires to be heated cannot come into contact with burnt gases to maintain their surface state. The heating of the bed takes place here also tangentially to the mean upper surface 4 of the bed, but by means of an unperforated tube 8 which the waves of particles of the bed come to lick, which are thus brought to high temperature. The burnt gases exit through an outlet conduit 9 through which they can be recovered.
The embodiment illustrated in Figure 3 is of the same type as that shown in Figure 2. However, in this case, there is provided a box 10 located below the fluidized bed and in communication with the spray lance 3. A or burners 11 are arranged in this box and make it possible to obtain hot fumes up to a moderate temperature, higher than ambient temperature, for example of the order of 400 to 500 ° C., where the fumes are not yet excessively aggressive for spears 3.
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This embodiment allows an even greater efficiency in heating the fluidized bed. It is understood that this arrangement could also be provided with that of open flame burners as illustrated in FIG. 1.
The wires to be treated in the ovens according to the invention are for example steel wires which are going to be subjected to a patenting operation.
The patenting operation is a well-known process in the world of wire drawing, it consists in bringing, at first, the temperature of a wire or a sheet of metal wires to a level such that one obtains a transformation of ferrite and perlite or perlite and cementite into austenite.
In a second step, what is called an isothermal quenching is carried out so as to re-transform the austenite (previously obtained by heating) into fine perlite in order to obtain good mechanical properties and, especially, excellent drawing ability.
During the wire heating step, it is necessary to reach a temperature of the order of 950 ° C. to obtain an austenitization of the steel. However, before going to quenching, a period of temperature equalization within the metallic mass, known as "soaking", proves favorable for dissolving the carbides present at the joints of austenite grains.
As illustrated in FIG. 5, in a device according to the invention it will be possible to provide two separate units, a heating unit 1 and a temperature equalization unit 12.
The heating unit consists of a fluidized bed oven 1 2, as previously described, which can be relatively short, given the excellent heat transfer coefficient of this type of oven. Wire 6
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scrolls continuously through this oven which can have a length of for example 5 to 6 m. In the bottom of the oven, a box 10 of the type shown in FIG. 3 is arranged to allow the fluidizing medium to be heated beforehand. The temperature of the heated fluidized sand according to the invention can advantageously reach approximately 1000 C.
The wire 6 thus leaves the oven 1 at a temperature of around 9500C and then passes into the temperature equalization unit 12, via a sealed hopper 13. The unit 12 consists of a box or thermally perfectly insulated tube. In this one it is enough to maintain the wire temperature acquired of 950 C and a heat exchange allowing heating is no longer necessary.
In the illustrated case, this temperature maintenance is achieved by recycling the burnt gases from unit 1 through the exhaust duct 5.
The burnt gases released are brought to a filtering means, for example a cyclone 14, and the filtered gases which are still hot or partially heated in a complementary manner are brought by means of a pump 15 to the unit 12 for maintaining at wire temperature.
The carbides (cementite) are dissolved in unit 12, which has a length of around 4 m and in which, while running, the wire remains for around 20 seconds. On leaving the unit 12, the wire passes to a quenching device 16 only partially shown.
The total device of this example therefore has a completely acceptable length in terms of overall dimensions of approximately 9 to 10 m.
A nonlimiting exemplary embodiment will now be given to explain the invention in more detail.
EXAMPLE A steel wire of the eutectoid type and with a diameter of 3 mm is introduced into a fluidized bed oven equipped according to the invention, the constant
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DV (wire diameter (mm) x running speed (m / min)) is 36. The fluidized bed consists of AI203 - F90, with a particle size of 106 to
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250 µm. It is kept in suspension by a fluidizing gas, here air, having a minimum pressure of 370 mm H2O and a flow rate of 250 Nm3 / h. The fluidizing gas is introduced from the bottom of the fluidized bed at room temperature.
Burners project tangentially to the upper average surface of the fluidized bed of fumes resulting from the combustion of gas and combustion air, so as to heat the particles of the fluidized bed almost to incandescence and to obtain a bed of a temperature average of about 1000 C. The fumes from the burners are in direct contact with the fluidized bed.
As can be seen from curve A of the graph given in Figure 6, the wire reaches a temperature of 950 C after approximately 20 seconds of travel, maximum 30 seconds, that is to say that the length of the oven fluidized bed according to the invention can be limited to a value of approximately 5 m, for the constant DV chosen above.
Over a length of 4 m, which corresponds to a period of passage of 20 seconds of the wire, it is maintained in the unit 12 at the temperature of 950 C, for the dissolution of the tertiary cementite.
By way of comparison, an identical wire was run through a conventional open fire oven, without a fluidized bed, of the high convection type.
It can be noted on curve B that the wire must be heated for approximately 50 seconds to reach the austenitization temperature and that the period of temperature equalization within the metallic mass cannot be carried out in a furnace. the same length and with the same constant DV, only for 3 to 4 seconds, which is insufficient to obtain good dissolution of the carbides (tertiary cementite).
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It should be understood that the present invention is in no way limited to the embodiments described above and that many modifications can be made thereto without departing from the scope of the appended claims.