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Cette invention se propose d'apporter.des perfectionnements à la! technique du recuit des métaux, et notamment de réduire notablement le ternes qui est nécessaire pour le recuit de bande ou feuillard d'acier par les mé- thodes classiques, et de réduire en même temps l'encombrement des fours utilisés à cet effet à l'heure actuelle.
L'invention a pour objet un procédé et un appareil permettant de recuire du feuillard d'acier ou une bande de métal analogue à une vitesse ,élevée, représentant de dix à quinze fois celle qui est possible par les méthodes de recuit en continu qui sont pratiquées à l'heure actuelle, et de donner au feuillard d'acier ainsi traité des propriétés physiques unifor- mes .
Une particularité du présent procédé réside dans l'utilisation d'un bain de métal fondu comme agent de chauffage et de refroidissement, et dans l'emploi de ces métaux dans des récipients étudiés de manière à n'oc- cuper qu'un minimum de place dans une installation industrielle. Les mé- thodes pratiquées à l'heure actuelle pour recuire le feuillard consistent à chauffer lentement une bobine ou un rouleau de feuillard dans un gaz pro- tecteur, tandis qu'il se trouve sous un couvercle ou une hotte capable de le soustraire à l'oxydation atmosphérique et lui permettant de se refroidir lentement. Des cycles très longs, allant de 60 à 120 heures, sont néces- saires quand on procède selon cette méthode classique, et le coût de l'é- quipement qui doit être prévu par tonne de rendement journalier est très élevé.
Ces méthodes classiques se traduisent en outre par des différences de température considérables dans les différentes parties des bobines de feuillard soumises au'traitement, de sorte que les produits résultants man- 'quent d'uniformité.
On a également proposé de recuire le feuillard sous la forme non plus de bobines, mais de rubans plats ou brins, en le faisant passer à tra- vers un four rempli de gaz protecteurs, dans lequel la bande de métal est tout d'abord chauffée, puis refroidie pendant son déplacement à travers le four, après quoi elle est rebobinée. Le chauffage est assuré par rayonne- ment, soit en utilisant des éléments chauffants constitués par des résistan- ces électriques, soit à l'aide de tubes chauffés intérieurement par des flammes résultant de la combustion de gaz, le refroidissement étant assuré dans des couloirs ou goulottes refroidis par de l'eau et enveloppant le ru- ban.métallique. Dans les procédés de ce genre, le chauffage et le refroidis- sement des brins sont très lents.
En effet, les surfaces réfléchissantes brillantes du ruban ou de la bande métallique constituent un mauvais absor- beur de la chaleur rayonnée, de sorte que le chauffage et le refroidissement du ruban sont très lents, et en outre les températures auxquelles les élé- ments chauffants peuvent fonctionner doivent être limitées à une valeur assez faible si l'on veut obtenir pour ces éléments chauffants une longévité rai- sonnable. Le rayonnement à partir des surfaces réfléchissantes brillantes du ruban métallique et vers les couloirs refroidis par l'eau dissipe la chaleur de façon encore plus lente, de sorte que le refroidissement du ru- ban métallique nécessite un laps de temps considérable.
En raison du retard impliqué par ces opérations de recuit, il faut prévoir un grand nombre de ;brins de ruban métallique, qui passent successivement dans le' four sur de nombreux rouleaux, ce qui augmente le risque d'endommagement de la surface ;de ces brins et pose des problèmes dont la solution est difficile pour l'en- traînement de ces rouleaux par un mécanisme d'actionnement convenable et aussi pour la réalisation de joints étanches aux gaz sur les arbres d'en- traînement et pour l'emploi de régulateurs de tension du ruban métallique, ,ceci impliquant d'ailleurs un risque de rupture du ruban métallique pendant la traversée du four et par conséquent une diminution résultante du rende- - ment du four en raison du réengagement qui doit être prévu,
ainsi que pour
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d'autres raisons analogues,. En fait, un four utilisable avec cette techni- que classique doit avoir de très grandes dimensions pour un rendement assez modesteo C'est ainsi, par exemple, que pour recuire 30 tonnes par heure d'un ruban ou feuillard ayant 750 mm.
de largeur pour une épaisseur égale à 0,25 mm, le four doit comporter au moins 8 brins ayant une hauteur de 9 mè- tres dans les zones de chauffage et de trempage, et 12 brins de cette hau- teur dans la zone de refroidissement, ce qui fait un minimum de 20 brins en tout, En raison de l'échauffement lent, on se trouve en présence de cet au- tre inconvénient que le ruban métallique ainsi traité n'est souvent recuit que partiellement,
Conformément à la présente invention, le ruban métallique ou feuil- lard non bobiné est chauffé très rapidement, en fait presque instantanément, jusqu'à la température de recuit, de manière à donner naissance à un phéno- mène métallurgique connu de conversion brusque, qui se traduit par une trans- formation extrêmement rapide du métal jusqu'à un état presque complètement recuit.
La présente invention permet de réaliser un emploi économique de l'énergie thermique qui est en effet recupérée en partie à partir du ruban métallique ou feuillard recuit du fait que ce ruban est recuit dans un bain liquide présentant différentes zones de température. Le ruban métallique passe à travers le bain liquide dans des conditions telles que le même li- quide serve à chauffer et à refroidir le ruban, et récupère en même temps la majeure partie de la chaleur provenant du brin de sortie du ruban recuit pour la transférer au brin d'arrivée froid du ruban, de sorte que la con- sommation de chaleur n'est égale qu'à 15 % environ de celle qui est néces- saire dans les techniques de recuit en continu pratiquées à l'heure actuel- le.
En outre, le bain liquide fait office non seulement d'agent de trans- fert de la chaleur, mais d'agent de protection, en ce sens qu'il n'a pas d'action nuisible sur l'acier et qu'il n'agit pas sur sa surface autrement que dans le sens d'une réduction des oxydes.
L'invention est décrite plus complètement ci-après, en regard des dessins schématiques annexés qui complètent le présent texte et dans les- quels:
La fig. 1 est une vue en coupe transversale verticale d'un appa- reil utilisable pour recuire du feuillard ou du ruban métallique, établi d'après les principes de l'invention.
La fig. 2 est une vue semblable à la fige 1, montrant une varian- te de réalisation de cet appareil.
La fig. 3 est une vue analogue, montrant une autre variante pos- sible de l'appareil représenté dans la fig. 1.
Les figso 4, 5 et 6 sont des vues en coupe verticale montrant schématiquement d'autres modifications possibles de l'appareil représenté en fig. 1.
L'invention sera plus facile à comprendre en examinant la fig. 2, dans laquelle le chiffre 1 désigne une enveloppe ou un carter en tôle des- tiné à retenir une matière isolante 2 contre une paroi d'enveloppement 3 constituée de préférence par de l'acier inoxydable, Un bain de métal fon- du est introduit dans le récipient 3, ce métal étant un alliage à bas point de fusion, de préférence du sodium ou du potassium à l'état liquide, ou :bien un alliage de ces deux métaux. Des métaux tels que le plomb, le bis- muth ou le mercure possèdent des caractéristiques convenables pour la mise 'en oeuvre du procédé ici décrit, Suivant une variante possible, ces métaax sont cependant indésirables à cause de leurs propriétés contaminantes et toxiques.
Le sodium fond à une température de 98 C, c'est-à-dire un peu au-dessous du point d'ébullition de l'eau, et à la pression atmosphérique
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il- bout à une température de 885 C environ, qui est supérieure de 1500 C aux températures de recuit maxima désirées pour un feuillard.d'acier à fai- ble teneur en carbone, températures qui s'élèvent à 735 C environ. Le récipient en acier inoxydable résiste à l'action du sodium liquide à des températures s'élevant jusqu'à 870 C environ pendant des temps prolongés, sans se détériorer. Il est donc désirable de constituer toutes les par- ties de l'appareil en acier inoxydable si elles doivent être plongées dans le sodium liquide ou venir en contact avec lui.
Comme représenté dans la fig. 2, un brin 4¯ de feuillard d'acier destiné à être recuit passe sous un rouleau de guidage 2 et est dirigé vers la partie supérieure du carter ou de l'enveloppe , où ce feuillard est dirigé par une poulie 6 vers deux rouleaux d'étanchéisation 7 et 8 eux-mê- .ales montés dans des logements courbes .9. de façon à empêcher l'échappement des vapeurs de sodium et à prévenir tout passage des gaz au sommet du réci- pient.
Un rouleau de guidage 10 est monté à la partie inférieure du réci- pient 3 pour guider le feuillard au cours de son déplacement descendant à travers le sodium fondu, puis en remontant vers les rouleaux d'étanchéisa- tion 11, au delà desquels le feuillard passe sur une poulie 12 placée à l'extérieur du récipient, puis au-dessous d'un rouleau de guidage 13 par lequel il est dirigé vers un enrouleur. Une série de cloisons 14 pourvues de fentes 15 et 16 à travers lesquelles passe le brin de feuillard sont superposées dans le récipient 3, afin de diviser ce dernier en chambres ou zones qui sont commandées individuellement, de façon à maintenir les tempé- ratures désirées, par des tubes 17 et 18 et par des tubes 19 placés à la partie inférieure du récipient.
Ces tubes, ces cloisons et ces rouleaux de guidage ainsi que les rouleaux d'étanchéisation peuvent être établis en acier inoxydable ou en d'autres matériaux appropriés. Dans le voisinage du sommet du récipient 3, se trouve un organe racleur 20, servant à débarrasser le brin de feuillard du sodium qui se trouve sur lui au moment où il sort du récipient de traitement. Une entrée de gaz 21 est prévue au sommet du récipient pour l'arrivée d'un gaz protecteur tel que de l'azote,qui main - tient une légère pression dans le récipient au-dessus de la surface du mé- tal liquéfié et qui empêche toute fuite du sodium hors du récipient.
Une série de palettes rotatives 22 sont montées entre les cloi- sons 14 pour égaliser la température latéralement dans chaque zone cloison- née. Ces palettes 22 peuvent être prévues aux endroits où les brins du feuillard sont séparés, en principe comme le montre la fig. 2. Quand les brins sont faiblement espacés, ainsi qu'il est représenté dans la figo 3, les palettes 22 peuvent d'ailleurs être supprimées.
Les cloisons 14 sont nécessaires pour empêcher l'inversion de la température du bain de sodium, qui autrement serait maximum à la partie supérieure de ce bain en raison du poids spécifique plus faible du sodium plus chaud, qui par conséquent s'élè- verait dans le récipient
Au cours du fonctionnement de l'appareil que montre la figo 2 en vue de recuire du feuillard d'acier ou autre, les tubes 19 situés au-dessous de la cloison 14 la plus basse sont chauffés par combustion d'un gaz ou par des résistances électriques, afin d'élever la température du sodium jusqu'au- dessus de 735 C environ, qui constitue la température de recuit désirée d'un acier à faible teneur en carbone.
Les tubes 17 qui se trouvent à gau- che du récipient 3 sont chauffés à des températures décroissantes en allant du bas vers le haut, le chauffage minimum correspondant aux tubes qui se trouvent au-dessus de la cloison supérieure. Les tubes 18 placés du côté droit du récipient 3 sont des tubes de refroidissement, à travers lesquels un fluide de refroidissement (tel par exemple que de l'air) circule si un refroidissement est nécessaire. Grâce au fonctionnement des palettes rota- tives 22, la température qui règne dans chacune des chambres est maintenue
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sensiblement uniforme dans toute leur étendue.
Après avoir passé à travers les rouleaux d'étanchéité .1 et 8, le brin 1 du feuillard traverse les fentes 15 des cloisons 14 et s'enroule autour du rouleau de guidage 10; il s'élève ensuite à travers les fentes 16 des cloisons, passe entre les organes racleurs 20, et à travers les rou- leaux d'étanchéité 11, puis sur les rouleaux de guidage 12 et 13 jusqu'à un enrouleur En passant ainsi à travers le récipient 3; le brin de feuil- lard 4, est amené graduellement à la température de recuit désirée en che- minant vers le bas (comme le montre la flèche), de sorte qu'il atteint une température maximum à la partie inférieure du récipient.
En s'élevant à travers les fentes 16, le brin de feuillard 4, est refroidi progressivement en traversant les zones à température décroissante, jusqu'à ce qu'il at- teigne une basse température, égale à 150 C environ, dans la zone située tout à fait en haut, avant de s'échapper lors du récipient. En s'élevant à travers celui-ci le feuillard recuit cède sa chaleur au bain de sodium dans les chambres successives. Cette chaleur est utilisée dans les chambres res- pectives pour chauffer le feuillard qui arrive.
En raison du transfert de chaleur extrêmement rapide du bain de sodium qui, dans le présent équipe- ment, est fonction de,la'vitesse de déplacement du brin de feuillard à tra- vers le bain de métal en fusion, le temps nécessaire au recuit est réduit au 1/15 environ du temps nécessaire au recuit.d'un feuillard analogue par les méthodes classiques. La conversion brusque de la structure cristalli- ne du métal constitutif du feuillard à un ..état de recuit parfait se produit très rapidement quand le feuillard est ainsi amené en un court laps de temps jusqu'à la température de recuit.
Pour certains types de feuillards ou de tôles d'acier, il est désirable de faire tremper le feuillard ou la tôle, après recuit, pendant un laps de temps de l'ordre d'une minute, afin d'obtenir un produit ayant un recuit optimum. Quand on veut prévoir une période de trempe et un refroi- dissement retardé après que le feuillard a été porté à la température de recuit, une chambre de trempe peut être prévue comme le montre la fig. 3.
D'après cette figure, le récipient 23 en acier inoxydable est semblable en principe au récipient 3 qui est représenté dans la fig. 2 et il est éga- lement prévu des tubes de chauffage et de refroidissement dans les chambres cloisonnées, de la même façon que décrit à propos de la fige 2. Mais les deux brins du feuillard passent par une seule fente 24 de la partie centra- le des cloisons 25 et sont très voisins au cours de leurs déplacements des- .cendant et ascendant à travers le bain de métal fondu. D'après ce que mon- tre la fig. 3, le brin de feuillard 4.descendant dans le bain de métal fondu -est guidé par une poulie 26 jusqu'à un orifice étranglé 27 de la chambre 28 délimitée par une enveloppe 29 et ouverte au sommet comme figuré en 30.
Un organe racleur 31 est prévu pour essuyer le brin de feuillard au moment où, en montant, il pénètre dans une chambre de trempe en passant autour de la poulie de guidage 32, pour redescendre jusqu'à une poulie de guidage 33; il remonte ensuite pour passer sur une poulie de guidage 34. Les poulies 32, 33 et 34 sont montées dans la chambre de trempe. Le brin de feuillard 4, descend alors à travers l'orifice étranglé 27 pour pénétrer à nouveau dans le bain de métal fondu, où il est dirigé par la poulie de guidage 35 .en un mouvement ascendant à travers les fentes 24 des cloisons 25, pour pas- ser à travers un organe racleur 36 et autour d'une poulie de guidage 37 jusqu'à l'enrouleur, les rouleaux d'étanchéité 38 étant semblables aux rou- leaux 8 et.2 déjà cités au cours de la description de la fig. 2.
Un rouleau intermédiaire peut être placé entre les rouleaux 38 (comme le montre la fig. 4 en 54) si l'on veut assurer une étanchéité maximum.
La partie supérieure de la chambre de trempe est munie d'un ori- fice 39 de sortie, par lequel peuvent s'échapper les gaz indésirables. Elle
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est également munie d'un orifice 40 d'admission du gaz, prévu non loin du fond de cette chambre de trempe, pour permettre l'introduction d'azote ou d'un autre gaz protecteur sous pression dans la chambre de refroidissement.
Au cours du fonctionnement de l'appareil que montre la figo 3, des tubes de chauffage supplémentaire :il. sont prévus dans la chambre de trempe pour compenser la chaleur perdue à travers les parois du carter et les matériaux isolants. Le niveau du bain de métal fondu est maintenu com- me le montre la fig. 3 ; il est confiné dans l'orifice étroit 27 qui abou- tit à la chambre d'expansion ou de détente 28 au moyen de la pression du gaz protecteur qui arrive par la tubulure d'admission 40. Si cette pres- sion vient à manquer ou à diminuer, la chambre d'expansion 28 reçoit le bain de métal fondu qui tomberàit sous son propre poids de la colonne ou chambre verticale située du côté gauche de cette chambre d'expansion 28.
Au fur et à mesure que le brin de feuillard 4 traverse l'appa- reil de recuit que montre la figo 3, il est gradupellement chauffé en pas- sant en un mouvement descendant à travers les chambres cloisonnées depuis la partie supérieure jusqu'à la partie inférieure du récipient renfermant le bain de métal fondu Quand il atteint sa température maximum à la par- tie inférieure de ce récipient, il remonte à travers l'orifice étranglé 27 et contourne les poulies de guidage 32, 33 et 34 logées dans la chambre de trempe, où il est maintenu à la température désirée pendant un laps de temps suffisant pour que ce feuillard soit convenablement recuit sans su- bir ensuite de trempe par vieillissement, avant de redescendre à travers l'orifice étranglé 27 pour pénétrer dans le bain de métal fondu,
puis re- monter et sortir de la chambre de traitement.
Pour de nombreux types d'acier, on estime qu'il n'est pas néces- saire de prévoir ane chambre de trempe ou même une période de trempe, mais pour les aciers nécessitant une période de trempe, la construction d'appa- reils que représente la fige3 répond bien aux buts poursuivis.
Dans l'appareil représenté dans la fig. 1, il est prévu un réci- pient renfermant du sodium fondu, étudié de manière à constituer un seul canal allongé 42 que parcourt le brin de feuillard 4. Ce brin est guidé, pendant son cheminement, par des rouleaux de guidage inférieurs et supé - rieurs 43 et 44, et il est prévu aux extrémités d'entrée et de sortie du canal 42 des rouleaux d'étanchéité 45 pour le but qui a été indiqué à pro- pos de la fig. 2. Le métal fondu circule à travers ce canal en empruntant un conduit extérieur 46 pourvu d'une pompe .il et au besoin d'un dispositif refroidisseur 48.
Cette pompe fait circuler le métal fondu dans la direc- tion indiquée par les flèches et l'amène à la partie supérieure du canal de sortie, qui se trouve du côté droit de la figure6 La direction d'écou- lement est inverse de la direction de déplacement du brin de feuillard 4, à travers les canaux 42.
Le chauffage du bain de métal fondu est assuré par plusieurs tu- bes 49, placés dans le compartiment de plus grande largeur qui est visible dans la partie centrale de la figo la Le procédé de recuit consiste à fai- re pénétrer le brin de feuillard . entre les rouleaux d'étanchéité 45, dans le canal 42 placé du côté gauche de la fig. l, et à l'obliger à péné- trer, à travers des portions successives, dans la zone de chauffage désignée dans son ensemble par ±% c'est-à-dire dans la zone où la température est maximum. Le brin traverse alors les portions successives jusqu'au canal de sortie et gagne finalement les rouleaux de guidage 51 et 52 placés du côté droit de l'appareil dans la fige 1.
Grâce à cet appareil, le refroi- dissement du brin de feuillard recuit à peut être réglé en agissant sur le dispositif refroidisseur !Si, afin que le sodium liquéfié pénétrant dans le récipient vertical situé à droite de la fig. 1 refroidisse le brin de
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feuillard recuit qui chemine de bas en haut (comme le montre la flèche) et .qui sort de l'appareil de traitement.
Le sodium, à mesure qu'il est refoulé à travers les portions successives vers le centre de l'appareil de traite- ment, augmente de température en absorbant de la chaleur venant du feuil- lard chaud, et acquiert sa température maximum, c'est-à-dire la température de recuit dans la zone de chauffage 50; il se refroidit lors graduellement jen passant vers la gauche jusqu'à l'orifice ou canal de sortie, puis en gagnant le conduit de circulation 46 du fait qu'il est en contact avec le brin de feuillard 3 qui pénètre dans l'appareil de traitement. En règle générale, seul un faible refroidissement du sodium a besoin d'être assuré par le dispositif refroidisseur 48.
L'appareil représenté dans la figo 4 diffère de celui que montre .les figso 2 et 3 en ce sens que la température maximum intéresse la partie supérieure de l'appareil, et qu'il est inutile de prévoir des cloisons pour empêcher une inversion normale de la température. Le brin 4. qui doit être recuit passe sur un rouleau de guidage 53, qui le dirige vers des rouleaux d'étanchéité 54 à travers lesquels il pénètre dans le récipient de traitement 55, dans lequel le niveau du sodium liquéfié est désigné par l'étiage 56 voisin de sa partie supérieure.
La colonne de sodium liquéfié disposé dans la partie droite de l'appareil peut se trouver à un niveau différent, comme représenté par la ligne 57, cette différence de niveau étant maintenue par la pression d'azote ou d'un autre gaz inerte qui est introduit à la partie supérieure du récipient au-dessus de l'étiage 56 de ce récipient 55. Les niveaux 56 et 57 varient à cause de la différen- ce de densité du métal liquéfié, par suite des températures différentes -régnant dans chacune des branches de l'appareil.
Après avoir contourné le rouleau de guidage inférieur 58, le brin de feuillard 4¯ s'élève à travers le bain de sodium pour passer sur le rouleau de guidage 59, puis redescend pour venir passer sous le rouleau de guidage 60, et remonte pour passer à nouveau tout près de l'endroit où il est entré, ce feuillard étant alors dirigé vers un dispositif refroidisseur (non représenté).
Dans l'appareil que montre la fig. 4, il est prévu des tubes de chauffage 61 à la partie supérieure du récipient et à droite (comme repré- senté) ainsi que des tubes de chauffage 62 dans la partie médiane et à droi- te du récipient. Le cas échéant, des tubes de refroidissement 63 et 64 peuvent être prévus du côté où le brin de feuillard descend après avoir traversé la zone à température maximum, de telle sorte qu'après être passé sur le rouleau de guidage 60, il perde une partie de sa chaleur, qui est transférée par l'intermédiaire du bain de sodium au brin de feuillard qui arrive.
Il est évident que des cloisons peuvent être employées dans l'ap- pareil que montre la fig. 4 si le feuillard traverse celui-ci à une grande vitesse de cheminement, afin d'empêcher un entraînement excessif du métal fondu par suite des phénomènes de viscosité, ce qui nuirait à la réparti- tion désirée de la température.
L'appareil que montre la fig. 4 peut être modifié de façon à se présenter tel que le montre la fig. 5, en augmentant la pression de l'azo- te agissant sur l'étiage 56 à la partie supérieure de la chambre, dans la colonne de gauche de l'appareil, en vue de maintenir le niveau de liquide élevé désiré dans la colonne de droite du récipient. Cet expédient a son utilité pour réduire au minimum la quantité de sodium fondu utilisée au cours du procédé de recuit en question. Mais on conçoit que des moyens peuvent être prévus pour évacuer le gaz, ou bien pour introduire un gaz inerte au-dessus du niveau 57 du liquide dans les figso 4 et 5.
Comme le montre la fig. 6, la disposition des organes d'étanchéité
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et de guidage ainsi que des tubes de chauffage et de refroidissement et des cloisons est semblable à ce que montrent les figso 2 et 3, mais elle dif- fère de ce qui est représenté sur ces figures et dans la figo 5, notamment par le fait que la disposition générale est horizontale. Par ailleurs, le processus de recuit se déroule de la même façon.
Sur la fige 6, les tubes 61 et 64 sont des tubes de chauffage, et 63 des tubes de refroidissements
Au moyen d'un gaz protecteur tel que de l'azote, qui est cité d'ailleurs simplement à titre d'exemple, le sodium est soustrait au contact de l'air ou de la vapeur d'eau qui provoquerait son inflammation et sa com- bustion, surtout aux températures élevées où il est employé dans cet appa- reil de recuit. On sait que le sodium ne réagit ni avec l'azote, ni avec l'argon, ni avec l'hélium.
Si l'on ajoute une faible proportion de lithium, représentant ap- proximativement 5 %, au bain de sodium fondu, on réduit la trainance du mé- tal liquéfié avec le feuillard traité, c'est-à-dire qu'on évite une perte du métal de traitement tout en réduisant l'adhérence du métal liquéfié à la surface du feuillard en cours de traitement.
Le lithium a, comme on le sait, un point d'ébullition très éle- vé, de l'ordre de 1370 C, de sorte qu'on peut employer soit du lithium seul, soit du lithium allié à d'autres métaux à faible point de fusion, com- me le sodium ou le potassium ou un mélange de sodium et de potassium, pour les résultats visés par l'invention, lorsqu'on a besoin de faire intervenir des températures supérieures à celles qui s'imposent généralement pour les processus de recuit ordinaires, par exemple des températures de 980 C pour . la normalisation, ou de 1095 C à 1200 C environ pour le traitement ther- mique des qualités les meilleures de feuillard en acier au silicium.
On voit par la description qui précède qu'un recuit rapide peut être effectué au moyen de l'appareil décrit et par l'utilisation d'un métal liquéfié doté de propriétés de transfert de la chaleur extrêmement élevées, comme c'est le cas du sodium. Le processus de recuit peut se dérouler en continu, en dévidant le brin de feuillard d'une bobine, puis en le faisant passer à travers l'appareil de recuit et en le rebobinant après son traite- ment.
On voit également, que grâce au bas point de fusion du sodium ou des alliages de sodium et de potassium, la majeure partie de la chaleur four- nie au feuillard pour l'amener à la température de recuit peut être récupé- rée dans le bain de métal avant que le feuillard ne sorte de l'appareil, et que par conséquent il suffit d'un minimum d'énergie thermique pour main- tenir une température de traitement convenable, et d'un simple apport de chaleur destiné à maintenir le bain à une température de recuit de l'ordre de 735 C, par exemple, au lieu de devoir employer des températures plus élevées dans un four à gaz.
En raison de l'application nouvelle du bain de métal fondu éomme agent de transfert de la chaleur; l'appareil de recuit peut avoir des dimensions minima et ne présente donc qu'un très faible en- combrement dans une installation industrielle. Cet appareil peut être in- terposé dans une chaîne de traitement, afin de recuire le feuillard pendant son cheminement entre des opérations de laminage successives, quand ceci est jugé désirable, en raison de la grande vitesse à laquelle le feuillard peut traverser le bain de recuit qui, comme il a été dit, assure une con- version brusque de la structure moléculaire du métal.
Les modalités d'exécution de ce procédé et les détails de con - struction de son appareil de réalisation peuvent être modifiés de diverses façons, sans s'écarter de l'invention, dans le domaine des équivalences mé- caniques.
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This invention proposes to bring improvements to the! technique of annealing metals, and in particular to considerably reduce the dullness which is necessary for the annealing of steel strip or strip by conventional methods, and at the same time to reduce the size of the furnaces used for this purpose in 'actual hour.
The invention relates to a method and apparatus for annealing steel strip or a similar metal strip at a high speed ten to fifteen times that which is possible by the continuous annealing methods which are currently practiced, and to give the steel strip thus treated uniform physical properties.
A peculiarity of the present process resides in the use of a bath of molten metal as a heating and cooling agent, and in the employment of these metals in vessels designed so as to occupy only a minimum of. place in an industrial facility. The methods currently practiced for annealing the strip consist in slowly heating a coil or a roll of strip in a shielding gas, while it is under a cover or a hood capable of withdrawing it from the heat. atmospheric oxidation and allowing it to cool slowly. Very long cycles, ranging from 60 to 120 hours, are necessary when proceeding according to this conventional method, and the cost of the equipment which must be provided per ton of daily output is very high.
These conventional methods further result in considerable temperature differences in the various parts of the strip coils subjected to the treatment, so that the resulting products lack uniformity.
It has also been proposed to anneal the strip in the form no longer of coils, but of flat ribbons or strands, by passing it through a furnace filled with protective gases, in which the metal strip is first heated. , then cooled as it moves through the oven, after which it is rewound. Heating is provided by radiation, either by using heating elements constituted by electrical resistances, or by means of tubes heated internally by flames resulting from the combustion of gas, the cooling being provided in corridors or chutes cooled by water and enveloping the metal band. In such processes, the heating and cooling of the strands is very slow.
This is because the shiny reflective surfaces of the metal tape or strip constitute a poor absorber of radiated heat, so that the heating and cooling of the tape is very slow, and in addition the temperatures at which the heating elements can operate must be limited to a fairly low value if a reasonable longevity is to be obtained for these heating elements. Radiation from the shiny reflective surfaces of the metal tape and to the water-cooled lanes dissipates heat even more slowly, so cooling the metal tape takes a considerable amount of time.
Due to the delay involved in these annealing operations, it is necessary to provide a large number of strands of metal tape, which pass successively through the oven on many rolls, which increases the risk of damage to the surface; of these strands and poses problems, the solution of which is difficult for the driving of these rollers by a suitable actuating mechanism and also for the realization of gas-tight seals on the driving shafts and for the use of tension regulators of the metal strip, this moreover implying a risk of breaking the metal strip during passage through the furnace and consequently a resulting reduction in the yield of the furnace due to the re-engagement which must be provided,
also for
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other similar reasons ,. In fact, a furnace which can be used with this conventional technique must have very large dimensions for a fairly modest yield. Thus, for example, for annealing 30 tonnes per hour of a tape or strip having 750 mm.
of width for a thickness equal to 0.25 mm, the oven must have at least 8 strands having a height of 9 meters in the heating and soaking zones, and 12 strands of this height in the cooling zone , which makes a minimum of 20 strands in all, Due to the slow heating, there is this further disadvantage that the metal strip thus treated is often only partially annealed,
In accordance with the present invention, the unwound metallic tape or strip is heated very rapidly, indeed almost instantaneously, to the annealing temperature, so as to give rise to a known metallurgical phenomenon of sudden conversion, which results in an extremely rapid transformation of the metal to an almost completely annealed condition.
The present invention makes it possible to economically use the thermal energy which is in fact partially recovered from the annealed metal tape or strip due to the fact that this tape is annealed in a liquid bath having different temperature zones. The metallic tape passes through the liquid bath under conditions such that the same liquid serves to heat and cool the tape, and at the same time recovers most of the heat from the exit strand of the annealed tape for transfer. to the cold lead end of the ribbon, so that the heat consumption is only about 15% of that required in the continuous annealing techniques practiced today. .
In addition, the liquid bath acts not only as a heat transfer agent, but as a protective agent, in that it has no detrimental effect on the steel and is does not act on its surface other than in the direction of reduction of oxides.
The invention is described more fully below, with reference to the appended schematic drawings which complete the present text and in which:
Fig. 1 is a vertical cross-sectional view of an apparatus usable for annealing metal strip or tape, made in accordance with the principles of the invention.
Fig. 2 is a view similar to figure 1, showing an alternative embodiment of this apparatus.
Fig. 3 is a similar view showing another possible variant of the apparatus shown in FIG. 1.
Figs 4, 5 and 6 are vertical sectional views schematically showing other possible modifications of the apparatus shown in fig. 1.
The invention will be easier to understand by examining FIG. 2, in which the numeral 1 designates a casing or a sheet metal casing intended to retain an insulating material 2 against a casing wall 3 preferably made of stainless steel, A bath of molten metal is introduced in container 3, this metal being an alloy with a low melting point, preferably sodium or potassium in the liquid state, or: alternatively an alloy of these two metals. Metals such as lead, bis-muth or mercury possess characteristics suitable for carrying out the process described here. According to a possible variant, these metaaxes are however undesirable because of their contaminating and toxic properties.
Sodium melts at a temperature of 98 C, that is, a little below the boiling point of water, and at atmospheric pressure
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it boils at a temperature of about 885 ° C, which is 1500 ° C higher than the maximum annealing temperatures desired for a low carbon steel strip, which temperatures rise to about 735 ° C. The stainless steel container resists the action of liquid sodium at temperatures up to approximately 870 C for extended periods of time without deterioration. It is therefore desirable to constitute all parts of the apparatus of stainless steel if they are to be immersed in or come into contact with liquid sodium.
As shown in fig. 2, a strand 4¯ of steel strip intended to be annealed passes under a guide roller 2 and is directed towards the upper part of the casing or of the casing, where this strip is directed by a pulley 6 towards two rollers of 'sealing 7 and 8 themselves .ales mounted in curved housing .9. so as to prevent the escape of sodium vapors and to prevent any passage of gases at the top of the vessel.
A guide roller 10 is mounted at the bottom of the container 3 to guide the strip during its downward movement through the molten sodium, then up towards the sealing rolls 11, beyond which the strip passes over a pulley 12 placed outside the container, then below a guide roller 13 through which it is directed towards a reel. A series of partitions 14 provided with slots 15 and 16 through which the strip strand passes are superimposed in the container 3, in order to divide the latter into chambers or zones which are individually controlled, so as to maintain the desired temperatures, by tubes 17 and 18 and by tubes 19 placed in the lower part of the container.
These tubes, partitions and guide rollers as well as the sealing rollers can be made of stainless steel or other suitable materials. In the vicinity of the top of the container 3, there is a scraper member 20, serving to rid the strip strand of the sodium which is on it when it leaves the treatment container. A gas inlet 21 is provided at the top of the container for the arrival of a protective gas such as nitrogen which maintains a slight pressure in the container above the surface of the liquefied metal and which prevents sodium from leaking out of the container.
A series of rotating paddles 22 are mounted between the partitions 14 to equalize the temperature laterally in each partitioned area. These pallets 22 can be provided at the places where the strands of the strip are separated, in principle as shown in FIG. 2. When the strands are closely spaced, as shown in figo 3, the pallets 22 can also be omitted.
The partitions 14 are necessary to prevent the inversion of the temperature of the sodium bath, which would otherwise be maximum at the top of that bath due to the lower specific gravity of the hotter sodium, which would therefore rise in the recipient
During the operation of the apparatus shown in FIG. 2 with a view to annealing steel strip or the like, the tubes 19 located below the lower partition 14 are heated by combustion of a gas or by electrical resistors, in order to raise the temperature of the sodium to above about 735 C, which is the desired annealing temperature of a low carbon steel.
The tubes 17 which are located to the left of the container 3 are heated at decreasing temperatures from the bottom upwards, the minimum heating corresponding to the tubes which are located above the upper partition. The tubes 18 placed on the right side of the container 3 are cooling tubes, through which a cooling fluid (such as for example air) circulates if cooling is required. Thanks to the operation of the rotating vanes 22, the temperature which prevails in each of the chambers is maintained.
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substantially uniform throughout their extent.
After having passed through the sealing rollers .1 and 8, the strand 1 of the strip passes through the slots 15 of the partitions 14 and wraps around the guide roller 10; it then rises through the slots 16 of the partitions, passes between the scrapers 20, and through the sealing rollers 11, then over the guide rollers 12 and 13 to a winder. through the container 3; the strip 4 strand is gradually brought to the desired annealing temperature while moving downward (as shown by the arrow), so that it reaches a maximum temperature at the bottom of the vessel.
As it rises through the slots 16, the strip 4 strand is gradually cooled as it passes through the areas of decreasing temperature, until it reaches a low temperature, equal to approximately 150 ° C., in the area. located at the very top, before escaping to the container. As it rises through this, the annealed strip gives up its heat to the sodium bath in successive chambers. This heat is used in the respective chambers to heat the incoming strip.
Due to the extremely rapid heat transfer of the sodium bath which, in the present equipment, is a function of, the speed of movement of the strip strand through the molten metal bath, the time required for annealing is reduced to about 1/15 of the time required for annealing a similar strip by conventional methods. The sudden conversion of the crystal structure of the constituent metal of the strip to a perfect annealed condition occurs very rapidly when the strip is thus brought in a short time to the annealing temperature.
For some types of steel strip or sheet, it is desirable to soak the strip or sheet, after annealing, for a period of the order of one minute, in order to obtain a product having annealing. optimum. When it is desired to provide for a quenching period and a delayed cooling after the strip has been brought to the annealing temperature, a quench chamber can be provided as shown in fig. 3.
According to this figure, the stainless steel container 23 is similar in principle to the container 3 which is shown in FIG. 2 and heating and cooling tubes are also provided in the partitioned chambers, in the same way as described in connection with the pin 2. But the two strands of the strip pass through a single slot 24 of the central part. the partitions 25 and are closely adjacent during their downward and upward movements through the bath of molten metal. From what fig. 3, the strand of strip 4 descending into the bath of molten metal is guided by a pulley 26 to a constricted orifice 27 of the chamber 28 delimited by a casing 29 and open at the top as shown at 30.
A scraper member 31 is provided for wiping the strip of strip at the moment when, on the way up, it enters a quenching chamber passing around the guide pulley 32, to descend to a guide pulley 33; it then rises to pass over a guide pulley 34. The pulleys 32, 33 and 34 are mounted in the quenching chamber. The strip 4 strand then descends through the constricted orifice 27 to reenter the bath of molten metal, where it is directed by the guide pulley 35. In an upward movement through the slots 24 of the partitions 25, to pass through a scraper member 36 and around a guide pulley 37 to the reel, the sealing rollers 38 being similar to the rollers 8 and 2 already mentioned during the description of fig. 2.
An intermediate roller can be placed between the rollers 38 (as shown in Fig. 4 at 54) if maximum sealing is to be achieved.
The upper part of the quench chamber is provided with an outlet 39, through which unwanted gases can escape. She
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is also provided with a gas inlet 40, provided not far from the bottom of this quenching chamber, to allow the introduction of nitrogen or another protective gas under pressure into the cooling chamber.
During the operation of the device shown in figo 3, additional heating tubes: il. are provided in the quench chamber to compensate for heat lost through the casing walls and insulating materials. The level of the molten metal bath is maintained as shown in fig. 3; it is confined in the narrow orifice 27 which terminates in the expansion or expansion chamber 28 by means of the pressure of the protective gas which arrives through the intake manifold 40. If this pressure is lacking or to decrease, the expansion chamber 28 receives the molten metal bath which falls under its own weight from the vertical column or chamber located on the left side of this expansion chamber 28.
As the strand of strip 4 passes through the annealing apparatus shown in fig. 3, it is gradually heated by passing in a downward motion through the partitioned chambers from the top to the top. lower part of the vessel containing the molten metal bath When it reaches its maximum temperature at the lower part of this vessel, it rises through the constricted orifice 27 and bypasses the guide pulleys 32, 33 and 34 housed in the chamber quenching, where it is maintained at the desired temperature for a period of time sufficient for this strip to be suitably annealed without subsequently undergoing quenching by aging, before descending again through the constricted orifice 27 to enter the bath of molten metal,
then go up and out of the treatment chamber.
For many types of steel, it is believed that it is not necessary to provide a quenching chamber or even a quenching period, but for steels requiring a quenching period, the construction of apparatus. that the fige3 represents responds well to the goals pursued.
In the apparatus shown in FIG. 1, there is provided a receptacle containing molten sodium, designed so as to constitute a single elongated channel 42 traversed by the strip strand 4. This strand is guided, during its path, by lower and upper guide rollers. riers 43 and 44, and at the inlet and outlet ends of the channel 42 there are provided sealing rollers 45 for the purpose which has been indicated in connection with FIG. 2. The molten metal circulates through this channel by borrowing an external duct 46 provided with a pump .il and, if necessary, a cooling device 48.
This pump circulates the molten metal in the direction indicated by the arrows and brings it to the upper part of the outlet channel, which is on the right side of figure 6 The direction of flow is reverse of the direction movement of the strip 4, through the channels 42.
The heating of the molten metal bath is provided by several tubes 49, placed in the compartment of greater width which is visible in the central part of the figure. The annealing process consists in making the strip of strip penetrate. between the sealing rollers 45, in the channel 42 placed on the left side of FIG. 1, and to force it to enter, through successive portions, into the heating zone designated as a whole by ±%, that is to say in the zone where the temperature is maximum. The strand then passes through the successive portions as far as the outlet channel and finally reaches the guide rollers 51 and 52 placed on the right side of the device in the pin 1.
Thanks to this device, the cooling of the annealed strip strand can be regulated by acting on the cooling device! Si, so that the liquefied sodium entering the vertical receptacle located to the right of fig. 1 cool the sprig of
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annealed strip which travels from bottom to top (as shown by the arrow) and which exits the treatment apparatus.
The sodium, as it is forced through successive portions towards the center of the treatment apparatus, increases in temperature by absorbing heat from the hot strip, and acquires its maximum temperature, it that is, the annealing temperature in the heating zone 50; it cools then gradually by passing to the left as far as the outlet orifice or channel, then by gaining the circulation duct 46 due to the fact that it is in contact with the strip of strip 3 which enters the apparatus of treatment. As a rule, only slight cooling of the sodium needs to be provided by the cooler 48.
The apparatus shown in fig 4 differs from that shown in figs 2 and 3 in that the maximum temperature concerns the upper part of the apparatus, and that it is unnecessary to provide partitions to prevent normal inversion. of the temperature. The strand 4 which is to be annealed passes over a guide roll 53, which directs it to sealing rolls 54 through which it enters the processing vessel 55, where the level of liquefied sodium is designated by the. low flow 56 close to its upper part.
The column of liquefied sodium disposed in the right part of the apparatus may be at a different level, as represented by line 57, this level difference being maintained by the pressure of nitrogen or of another inert gas which is introduced at the upper part of the container above the low level 56 of this container 55. The levels 56 and 57 vary because of the difference in density of the liquefied metal, as a result of the different temperatures prevailing in each of the branches of the device.
After having bypassed the lower guide roller 58, the strip of strip 4¯ rises through the sodium bath to pass over the guide roller 59, then comes down again to pass under the guide roller 60, and rises to pass again very close to the place where it entered, this strip then being directed towards a cooling device (not shown).
In the apparatus shown in fig. 4, there are heating tubes 61 at the top of the container and to the right (as shown) as well as heating tubes 62 in the middle and to the right of the container. Where appropriate, cooling tubes 63 and 64 may be provided on the side where the strip strand descends after having passed through the zone at maximum temperature, so that after having passed over the guide roller 60, it loses a part. of its heat, which is transferred through the sodium bath to the incoming strip strand.
It is obvious that partitions can be used in the apparatus shown in fig. 4 if the strip passes through it at a high travel speed, in order to prevent excessive entrainment of the molten metal owing to the phenomena of viscosity, which would adversely affect the desired distribution of the temperature.
The apparatus shown in fig. 4 can be modified so as to appear as shown in FIG. 5, by increasing the nitrogen pressure acting on the lowering 56 at the top of the chamber, in the left column of the apparatus, in order to maintain the desired high liquid level in the column of right side of the container. This expedient has its utility in minimizing the amount of molten sodium used in the annealing process in question. But it will be understood that means can be provided to evacuate the gas, or else to introduce an inert gas above the level 57 of the liquid in figs 4 and 5.
As shown in fig. 6, the arrangement of the sealing members
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and guide as well as heating and cooling tubes and partitions is similar to that shown in figs 2 and 3, but it differs from what is shown in these figures and in fig 5, in particular by the fact that that the general arrangement is horizontal. Moreover, the annealing process takes place in the same way.
On fig 6, the tubes 61 and 64 are heating tubes, and 63 are cooling tubes
By means of a protective gas such as nitrogen, which is cited moreover simply by way of example, the sodium is removed on contact with air or water vapor which would cause its ignition and its combustion, especially at the high temperatures where it is used in this annealing apparatus. We know that sodium reacts neither with nitrogen, nor with argon, nor with helium.
If a small proportion of lithium, representing approximately 5%, is added to the molten sodium bath, the drag of the liquefied metal with the treated strip is reduced, that is to say one avoids a loss of the process metal while reducing the adhesion of the liquefied metal to the surface of the strip being processed.
Lithium has, as is known, a very high boiling point, of the order of 1370 C, so that either lithium alone or lithium alloyed with other low metals can be used. melting point, such as sodium or potassium or a mixture of sodium and potassium, for the results sought by the invention, when it is necessary to use temperatures higher than those which are generally required for ordinary annealing processes, for example temperatures of 980 C for. normalization, or from 1095 C to 1200 C approximately for the heat treatment of the best qualities of silicon steel strip.
It can be seen from the foregoing description that rapid annealing can be carried out by means of the apparatus described and by the use of a liquefied metal having extremely high heat transfer properties, as is the case with sodium. The annealing process can be a continuous process, unwinding the strip strand from a coil, then passing it through the annealing apparatus and rewinding it after processing.
It can also be seen that, thanks to the low melting point of sodium or of sodium and potassium alloys, most of the heat supplied to the strip to bring it to the annealing temperature can be recovered in the bath. of metal before the strip leaves the apparatus, and therefore a minimum of thermal energy is sufficient to maintain a suitable treatment temperature, and a simple supply of heat to maintain the bath at an annealing temperature of the order of 735 C, for example, instead of having to employ higher temperatures in a gas oven.
Due to the new application of the molten metal bath as a heat transfer agent; the annealing apparatus may have minimum dimensions and therefore has only a very small footprint in an industrial installation. This apparatus can be interposed in a processing line, in order to anneal the strip during its travel between successive rolling operations, when this is considered desirable, due to the high speed at which the strip can pass through the annealing bath. which, as has been said, ensures an abrupt conversion of the molecular structure of the metal.
The modalities of execution of this method and the details of construction of its production apparatus can be modified in various ways, without departing from the invention, in the field of mechanical equivalences.