Procédé continu de fabrication de fil d'acier.
La présente invention concerne un procédé continu de fabrication de fil d'acier, en particulier de fil de précontrainte du béton, en
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Actuellement, le fil d'acier est habituellement produit par laminage
à chaud d'un lingot d'abord en billettes puis en fil machine dont le diamètre est compris entre 5,5 mm et 14 mm. On peut également obtenir le fil machine en partant de blooms ou de billettes de coulée continue. Ce fil machine est ensuite tréfilé en plusieurs passes, à travers des matrices de diamètre décroissant, jusqu'au diamètre final désiré.
Après tréfilage, le fil subit un traitement de vieillissement sous tension destiné à lui conférer une bonne résistance à la relaxation(/ des tensions en service.
En plus de ses propriétés de relaxation, la qualité du produit final est caractérisée par deux paramètres, la charge de rupture et la striction.
A l'état brut de laminage le fil machine non allié présente une structure telle que le fil fini ne possède pas, après le traitement décrit ci-dessus, une résistance suffisante.
Différentes méthodes sont utilisées pour remédier à cette situation, méthodes qui présentent toutes à divers degrés des inconvénients, techniques ou économiques :
1) augmentation du taux d'écrouissage. Cette méthode permet d'augmenter la résistance du fil, mais détériore sa ductilité (diminution de la striction).
2) Augmentation de la teneur en carbone.Cette méthode présente l'inconvénient d'augmenter la difficulté de mise en oeuvre du fil machine et notamment de rendre aléatoire l'utilisation de demi-produits de coulée continue (ségrégation axiale).
3) Addition de chrome et de silicium. Cette méthode augmente les
coûts de fabrication.
4) Traitement de patentage.
Ce dernier traitement constitue la méthode la plus efficace d'amélioration du fil, car il permet l'augmentation de la résistance et de la striction; il consiste à faire passer le fil machine lentement à travers un four de réchauffage afin de ramener sa température au-delà du point de transformation A3 et de le rendre ainsi entièrement austénitique. Le fil machine est ensuite refroidi soit par refroidissement naturel dans l'air (patentage à l'air) soit par immersion dans un
bain de plomb (patentage au plomb). Après le patentage, le fil machine est ensuite soumis à un décapage et à un traitement de surface avant d'être tréfilé. Le traitement de surface comprend essentiellement le dépôt d'une couche d'une substance, telle que le borax ou la chaux, destinée à faciliter l'accrochage du lubrifiant de tréfilage.
L'ensemble des opérations de patentage, décapage, traitement de surface et tréfilage sont généralement exécutées dans les ateliers de tréfilerie, auxquels le fil machine est livré à l'état brut de laminage.
Actuellement, toutes ces opérations sont séparées par des périodes plus ou moins longues de stockage du fil machine, ce qui entraîne des manipulations nombreuses et nécessite l'aménagement d'aires de stockage aux différents stades de la préparation du fil.
Il serait évidemment hautement souhaitable que toutes ces opérations puissent être combinées de façon à être exécutées en continu depuis le patentage jusqu'au tréfilage. Les fabricants pourraient ainsi bénéficier des avantages attachés aux processus continus, à savoir la réduction des frais de manutention et de stockage, la diminution de l'encombrement des installations par la suppression des aires de stockage, la réduction de la consommation d'énergie, la réduction des délais de fabrication et l'augmentation de la régularité du traitement.
Dans le domaine de la tréfilerie, la mise en série des opérations précitées en un seul processus continu se heurte à une difficulté fondamentale, à savoir la très grande différence de vitesse entre le patentage et le tréfilage. En pratique, le rapport des vitesses du fil entre ces deux opérations peut atteindre et même dépasser 15.
A titre d'exemple, pour un fil machine de 12 mm de diamètre, les vitesses sont respectivement de 0,063 m/s pour le patentage et de 0,986 m/s à l'entrée-du tréfilage, soit un rapport de vitesses supérieur à
15. Avec un tel fil, le patentage au plomb à une vitesse de 0,986 m/s
- compatible avec le tréfilage - nécessiterait un bain de plomb d'une longueur de plus de 60 m, ce qui ne peut évidemment pas être envisagé dans une application industrielle..-./ Un premier objet de la présente invention consiste précisément à proposer un procédé de fabrication de fil d'acier, comprenant le patentage et le tréfilage du fil, dans lequel le fil se déplace, à chaque stade de la fabrication, à des vitesses compatibles avec la vitesse d'entrée du tréfilage.
Un autre objet de la présente invention est de révéler un procédé pour la mise en série, en un processus continu, des opérations de patentage, traitement de surface et de tréfilage d'un fil d'acier.
Le procédé qui fait l'objet de la présente invention est basé sur la mise au point par le Demandeur d'une opération de patentage à l'eau du fil d'acier défilant à des vitesses élevées, de l'ordre de grandeur des vitesses pratiquées à l'entrée du tréfilage.
Ce procédé de patentage rapide à l'eau constitue d'ailleurs encore
un autre objet de la présente invention.
Le procédé de l'invention s'applique à un fil.se trouvant généralement sous la forme d'une bobine, tel que du fil machine décapé ou du fil ayant subi un premier tréfilage. En ce qui concerne le fil machine décapé, le décapage peut soit avoir été exécuté séparément, par exemple à la suite du laminage, soit être éxécuté en continu immédiatement avant le procédé de l'invention.
On soulignera également que, dans le procédé de l'invention, le fil d'acier est déroulé de la bobine initiale et il est soumis en continu, c'est-à-dire sans manipulations intermédiaires ni interruption de son mouvement de défilement, aux diverses opérations successives de préparation et de tréfilage, puis il est à nouveau enroulé en une bobine finale.
Dans ces conditions, le procédé qui fait l'objet de la présente invention, pour la fabrication en continu de fil d'acier, dans lequel
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vant à la température ambiante et est finalement enroulé à nouveau en une bobine de fil, est essentiellement caractérisé en ce que, successivement,
(a) on chauffe le fil rapidement jusqu'à une température supérieure au point A3;
(b) on refroidit brusquement le fil, en une première étape, jusqu'à une température inférieure à 700[deg.]C mais supérieure au point Ms, qui marque le début de la transformation martensitique dudit acier;
(c) on refroidit le fil plus lentement, dans une seconde étape, de façon à assurer la transformation de la majeure partie de l'austénite en perlite;
(d) on dépose à la surface du fil une couche d'une substance favorisant l'accrochage du lubrifiant de tréfilage; et
(e) on tréfile le fil à sa dimension finale.
Habituellement, le fil livré aux ateliers de tréfilerie présente en surface une couche décarburée. Dans ce cas, le point Ms mentionné plus haut est celui qui correspond à l'acier de base, c'est-à-dire non décarburé. Il peut alors arriver que le procédé de l'invention provoque, lors de la première étape de refroidissement (point b),
la transformation martensitique de cette couche décarburée, en raison de la valeur plus élevée du point Ms dans cette couche. Ceci ne constitue cependant pas un inconvénient car, lors de la seconde étape de refroidissement, (point c), la surface du fil se réchauffe à une température d'au moins 580[deg.]C, ce qui assure un revenu de ladite couche de martensite.
Selon une première particularité de l'invention, on chauffe le fil sous une atmosphère protectrice, de préférence une atmosphère légè-
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cher ou de supprimer toute oxydation de la surface du fil.
Les conditions de chauffage sont réglées de telle sorte qu'à la sortie du four, le fil présente une structure austénitique en tout point de sa section et que tous les carbures, notamment la cémentite, pré-, sents dans le fil avant le chauffage aient été remis en solution.
Cette condition implique que le fil se trouve porté à une tempéra-
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dans la technique conventionnelle du patentage au plomb ou à l'air. Dans la technique connue cependant, il s'agit d'un chauffage très lent, qui exige un temps important et n'est pas compatible avec les vitesses élevées préconisées par la présente invention.
Dans le cadre de la présente invention, la vitesse de chauffage du fil est fortement accrue, par rapport à la pratique conventionnelle, afin de tenir compte d'une part de la vitesse de circulation du fil et d'autre part de la nécessaire limitation des dimensions du four.
Il est en outre apparu qu'il ne suffisait pas de relever la vitesse de chauffage, mais qu'il convenait également d'accroître la température de chauffage pour assurer une mise en solution rapide des carbures.
Selon l'invention, la température de chauffage est avantageusement comprise entre 850[deg.]C et 1050[deg.]C.
Cette température est atteinte en un laps de temps qui peut varier en fonction de la vitesse du fil mais qui, également selon l'invention, n'est de préférence pas supérieur à 5 minâtes, afin de limiter l'encombrement du four.
Selon une autre particularité de l'invention, le fil qui se trouve à une température supérieure au point A3 est soumis à une première étape de refroidissement destinée à éliminer une partie de la chaleur sensible du fil sans provoquer dans celui-ci la transformation allotropique de l'austénite.
Cette première étape est basée sur la constatation selon laquelle il
<EMI ID=5.1> sant varier la température à laquelle la transformation perlitique se produit dans le fil. La première étape de refroidissement du procédé de l'invention consiste donc en un refroidissement intense et bref, qui préserve la structure austénitique du fil malgré l'établissement de gradients thermiques élevés dans sa section.
L'intensité du refroidissement, à savoir la densité de flux calorifique échangé entre l'agent de refroidissement et le fil pendant cette première étape, doit être telle que la courbe de refroidissement soit située en avant du nez des courbes de transformation de l'acier constituant le fil.
La durée de la première étape de refroidissement est déterminée par le fait que la température du fil ne peut atteindre en aucun point
la température Ms de début de la transformation martensitique.
Cette première étape de refroidissement est réalisée de préférence
en faisant passer le fil dans un courant de liquide de refroidissement circulant suivant une direction sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du fil.
En particulier, on peut faire circuler le fil sensiblement suivant l'axe d'un tube dans lequel le liquide de refroidissement est injecté sous pression dans l'espace cylindrique compris entre le fil et
la paroi intérieure du tube.
La valeur des paramètres donnant l'intensité et la durée du refroidissement dépend du diamètre et de la composition chimique du fil, ainsi que de sa température à l'entrée de cette première étape de refroidissement.
Par exemple, dans le cas d'un fil machine de 5,5 mm à 12 mm de dia-
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850[deg.]C - 1050[deg.]C, la durée de la première étape de refroidissement sera comprise entre 0,3 et 5 secondes; cette durée correspond à une vi-
<EMI ID=7.1> dissement comprise entre 0,5 et 2,5 m. Si l'agent de refroidissement est l'eau, l'intensité de refroidissement désirée pourra être atteinte avec une température de l'eau comprise entre 45[deg.]C et 85[deg.]C et
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Selon encore une autre particularité de l'invention, la durée de la seconde étape de refroidissement est réglée de telle sorte qu'à la
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en perlite.
Il est apparu que l'intensité du refroidissement au cours de cette seconde étape devait respecter deux conditions de nature contradictoire; d'une part, elle doit être suffisamment élevée pour assurer l'évacuation de la chaleur de transformation et limiter le phénomène de recalescence de façon à permettre l'obtention de perlite fine dans toute la section du fil; et d'autre part, elle doit être suffisamment faible pour éviter la formation de bainite ou de martensite dans le fil.
A cet effet, cette seconde étape de refroidissement consiste avantageusement en une immersion du fil dans une solution aqueuse portée
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bullition, et de préférence maintenue à l'ébullition.
Dans ce cadre, on peut modifier l'intensité du refroidissement au cours de la seconde étape en faisant varier la composition et/ou la température de la solution aqueuse dans laquelle on immerge le fil.
On peut également régler la durée du refroidissement au cours de la seconde étape en faisant varier le temps de séjour du fil dans la solution aqueuse; pour une vitesse de fil donnée, cela équivaut à faire varier la longueur de fil immergée dans la solution.
Comme on l'a indiqué plus haut, cette durée doit être suffisante pour
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Au cours des essais de mise en oeuvre du procédé, il est apparu qu'
il était également possible de réaliser cette deuxième étape du traitement dans l'air calme. Dans ce cas, l'intensité de refroidissement de la première phase doit être accrue : la densité de flux calorifique et/ou la durée de refroidissement doivent être augmentées. En pratique, cela consiste à modifier dans le sens indiqué un ou plusieurs des paramètres énumérés ci-dessous :
- augmenter le débit d'eau,
- diminuer la température de l'eau,
- diminuer la vitesse de défilement du fil,
- augmenter la longueur du dispositif de refroidissement.
Toujours selon l'invention, le fil est ensuite soumis à un traitement de surface dont le but, connu en soi, est de déposer à sa surface une couche d'une substance favorisant l'accrochage ultérieur du lubrifiant de tréfilage. Parmi les substances généralement utilisées à cette fin et ne faisant d'ailleurs pas partie de l'objet de l'invention figurent le borax et la chaux.
D'une manière également connue en soi, ce traitement de surface comprend une première phase de dépôt et une seconde phase de séchage de la couche d'accrochage du lubrifiant.
Dans le cadre de la présente invention, la phase de dépôt consiste à immerger le fil dans une solution aqueuse de ladite substance présentant une composition conventionnelle mais étant portée à sa température d'ébullition.
Selon une particularité de l'invention, le fil entre dans ladite solution aqueuse à une température supérieure à la température d'ébullition de la solution.
On connaît bien le processus de refroidissement d'un corps plongé
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du corps immergé. Si la température du corps au moment de son immersion dans le bain est supérieure à une certaine température critique, il se forme d'abord à la surface du corps un film de vapeur qui empêche le contact direct du corps avec le bain et freine dès lors fortement son refroidissement. Cette période est connue sous le nom de "phase de caléfaction". Au moment où le corps, en se refroidissant, franchit cette température critique, le film de vapeur se rompt et
le système corps-bain se trouve alors en "phase d'ébullition nucléée" au cours de laquelle le corps peut être mouillé par le bain aqueux;
le refroidissement exercé au cours de cette dernière phase est plus rapide.. que pendant la phase de caléfaction. On peut rappeler que cette température critique dépend en particulier de l'état de surface du produit ainsi que de la composition et de la température du bain aqueux.
Suivant l'invention, le fil quitte ladite solution aqueuse à une température inférieure à la température critique définie ci-dessus.
Le fil est ensuite séché de façon conventionnelle, puis revêtu du lubrifiant de tréfilage et enfin tréfilé.
Il faut cependant souligner que si les contraintes de tréfilage permettent la sortie du fil de la solution aqueuse à une température relativement élevée, bien qu'inférieure à la température critique précitée, par exemple à 150 - 200[deg.]C, le séchage du fil est grandement facilité et on peut éviter de recourir à un soufflage d'air chaud.
Selon une mise en oeuvre particulièrement avantageuse du procédé de l'invention, on combine en une seule opération la seconde étape de refroidissement et la première phase de traitement de surface du fil.
A cet effet, on immerge le fil, qui se trouve à une température supérieure au point Ms de l'acier, dans une solution aqueuse contenant la-
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Cette mise en oeuvre particulière présente notamment l'avantage important de n'utiliser qu'un seul bain aqueux, ce qui entraîne une simplification de l'installation et par conséquent une réduction de son coût.
Dans la mise en oeuvre particulière de l'invention, la seconde étape de refroidissement du fil a lieu dans la solution de traitement de surface. Le fil y pénètre à une température voisine de 600[deg.]C, qui est la température atteinte par le fil à la fin du refroidissement intense et bref de la première étape. Dès l'immersion, il se forme à la surface du fil une couche de vapeur qui empêche le contact direct du fil avec la solution et qui règle les échanges thermiques. C'est la période de "caléfaction" rappelée plus haut; elle coïncide ainsi avec la seconde étape du refroidissement.
Dès que la température du fil tombe en dessous de la valeur critique définie plus haut, le régime "d.'ébullition nucléée" apparaît de manière pratiquement instantanée et la surface du fil est mise en contact avec la solution. Dès que ce phénomène se produit, la substance contenue dans la solution se dépose sur le fil et celui-ci peut être immédiatement retiré de la solution.
Selon l'invention, on introduit le fil dans ladite solution aqueuse
à une température voisine de 600[deg.]C et on l'en retire lorsque sa température est inférieure à la température critique correspondant au passage de la caléfaction à l'ébullition nucléée.
Dans cette mise en oeuvre, la composition et la température de la solution aqueuse sont régies par les conditions du traitement de surface.
En particulier, la solution est maintenue à sa température d'ébullition, ce qui assure une température rigoureusement constante et facilite l'évacuation de la chaleur extraite du fil par simple condensation de la vapeur dégagée. / Etant donné que le fil peut être retiré du bain immédiatement après le franchissement de la température critique précitée, la durée de la première phase de traitement de surface peut être très courte. La température du fil à la fin de cette première phase est nettement plus élevée que la température de la solution et la couche d'accrochage peut dès lors se former dans des conditions très favorables. En outre, le séchage peut être effectué sans devoir recourir à un soufflage d'air chaud.
D'autres particularités et.avantages du procédé de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, laquelle se réfère aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 illustre schématiquement le processus discontinu de fabrication d'un fil tréfilé suivant la technique antérieure; la figure 2 illustre schématiquement le processus continu, conforme à l'invention, pour la fabrication d'un fil tréfilé à vitesse élevée; la figure 3 montre l'évolution de la charge de rupture, en fonction de la température de l'eau dans la première étape de refroidissement, pour deux valeurs de la pression d'injection, pour un fil traité suivant le procédé de l'invention.
A titre de comparaison, elle indique également le niveau moyen de la charge de rupture obtenu par patentage au plomb d'une part et à l'état brut de laminage d'autre part; la figure 4 illustre la distribution de la dureté le long d'un rayon de la section d'un fil traité selon les conditions de la figure 3; et la figure 5 illustre l'amélioration des propriétés du fil qu'apporte le patentage à l'eau suivant l'invention par rapport à l'état brut de laminage.
En faisant référence à la figure 1, on rappellera succinctement que le processus habituel de fabrication d'un fil tréfilé comprend des opérations de patentage, de décapage, de traitement de surface et enfin de tréfilage, séparées chaque fois par des périodes de stockage. Dans ce processus, le fil se trouve à la température ambiante/^/ pour toutes les opérations effectuées après le patentage. Comme on l'a déjà indiqué dans l'introduction, le rapport entre la vitesse de
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12 mm de diamètre - et s'oppose à toute mise en continu du processus.
La figure 2 représente schématiquement une installation pour la mise en oeuvre du procédé continu qui fait l'objet de l'invention. Dans la pratique, l'installation comprendra bien entendu les équipements habituels des lignes continues, tels que soudeuses, accumulateurs d' entrée et de sortie, applicateurs de lubrifiant, etc..., qui, par souci de clarté, ne sont pas représentés dans la figure 2.
Le fil, déroulé de la bobine initiale 1, pénètre dans un four 2 de chauffage sous atmosphère réductrice, où il est porté à une tempéra-
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2, le fil est soumis à une première étape de refroidissement, intense et bref, dans un dispositif 3 qui est de préférence constitué par un tube parcouru par de l'eau. Cette première étape de refroidissement ramène la température du fil jusqu'à une valeur, supérieure au point Ms, conduisant aux propriétés mécaniques désirées. Cette valeur de la température du fil est généralement comprise entre 580[deg.]C et 650[deg.]C. Le dispositif désigné par le repère numérique 4 se compose essentiellement d'une cuve contenant une solution aqueuse portée à sa température d'ébullition. Cette solution contient, dans des proportions connues en soi, une substance destinée à faciliter l'accrochage du lubrifiant de tréfilage.
Cette disposition correspond à la mise en oeuvre particulière de l'invention, dans laquelle la seconde étape de refroidissement, comprenant la transformation perlitique, et la phase de dépôt de la substance précitée sont combinées en une seule opération. Le fil pénètre dans la solution aqueuse à une température, voisine de 600[deg.]C comme on l'a indiqué plus haut, oui est nettement supérieure à la température de la solution. Il contribue dès lors à maintenir la solution à l'ébullition et à limiter ainsi la consommation
<EMI ID=16.1> Dans cette solution, le fil est refroidi à une vitesse relativement basse pendant la période de caléfaction, ce qui permet la transformation de l'austénite en perlite fine et l'évacuation de la chaleur de transformation en évitant ainsi le phénomène de recalescence. Peu de temps après l'établissement de la période d'ébullition nucléée rappelée plus haut, qui permet le dépôt de la substance contenue dans la solution, le fil quitte le dispositif 4 et il est introduit dans l'enceinte de séchage 5. L'opération de séchage peut être réalisée, de façon conventionnelle, par soufflage d'air chaud sur le fil. Toutefois, si les contraintes de tréfilage en matière de température l' autorisent, le fil peut quitter le dispositif 4 à une température de
150 - 200[deg.]C qui lui assure un séchage naturel sans soufflage d'air chaud.
Après avoir été pourvu du lubrifiant de tréfilage dans un dispositif habituel non représenté, le fil est tréfilé en 6 à la dimension désirée puis enroulé en 7 en une bobine finale.
Depuis son entrée dans le four de chauffage 2 jusqu'à la sortie du dispositif de séchage 5, le fil est maintenu à l'abri de l'air atmosphérique afin d'éviter son oxydation. A cet effet, il passe à travers des dispositifs étanches 8 disposés entre les différents équipements 2, 3, 4 et 5. Il ne nécessite dès lors aucun décapage avant sa mise en contact avec un agent de refroidissement aqueux.
Il faut cependant souligner que, pendant la première étape de refroidissement (3), le fil subit une oxydation superficielle par contact avec la vapeur d'eau. Il se forme à cette occasion une très fine couche d'oxyde de fer FeO, qui ne doit cependant pas être enlevée car, combinée à la substance (borax, chaux) déposée ultérieurement, elle constitue une excellente couche d'accrochage du lubrifiant de tréfilage.
Toujours dans la figure 2, le repère numérique 9 désigne un échangeur de chaleur permettant de régler la température de l'eau de refroidissement de la première étape; en 10 est schématisé un condenseur assurant la condensation de la vapeur d'eau dégagée par la solution à l'ébullition au cours de l'opération combinée de refroidis-sement et de traitement de surface. Enfin, la pompe 11 assure l'injection d'eau sous pression dans le dispositif 3 de la première étape.
Les figures 3, 4 et 5 illustrent un exemple de traitement d'un fil d' acier conformément à la présente invention.
Le traitement a porté sur un fil d'acier pour précontrainte, d'un dia-
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tial (bobine 1, figure 2), le fil était laminé à chaud et décapé. Le fil a d'abord été rendu austénitique par chauffage à 880[deg.]C en 10 s,
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cet acier étant d'environ 725[deg.]C. La première étape de refroidissement a consisté en une trempe de 1,21 s dans un courant d'eau à différentes températures injectée sous deux pressions différentes. Après la trempe, la température du fil s'est égalisée à environ 620[deg.]C et le fil a été immergé, à cette température, dans une solution à l'ébullition contenant environ 100 g de borax par litre. Après un séjour de
25 s dans cette solution, le fil en est sorti à une température de
190[deg.]C. Le séchage s'est effectué par évaporation naturelle, puis le fil a été tréfilé jusqu'à un diamètre de 7 mm, soit avec une réduc-
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charge de rupture de l'acier.
La figure 3 montre que le procédé de patentage à l'eau, qui constitue un des objets de la présente invention, permet d'atteindre une charge de rupture équivalente à celle que l'on atteint par le patentage au plomb. Il apparaît également que cette charge de rupture, de l'ordre de 1185 MPa à 1240 MPa, est nettement supérieure à celle qui correspond à l'état brut de laminage, pour lequel elle se situe en moyenne
à environ 1050 MPa. Les deux courbes de la figure 3 montrent en outre que pour atteindre le niveau de charge de rupture désirée, la température de l'eau de refroidissement doit être plus élevée lorsque la pression d'injection augmente. Par exemple, on atteint une charge de rupture de 1200 MPa en injectant de l'eau à 53[deg.]C sous une pression de 0,5 bar, tandis que la température de l'eau doit passer à 62[deg.]C si la pression d'injection est de 1 bar.
Pour le même fil, la figure 4 montre la distribution de la dureté HV le long d'un rayon, depuis le centre jusqu'à la surface du fil, après le patentage à l'eau suivant l'invention. Cette distribution apparaît remarquablement uniforme, ce qui indique clairement la régularité de la structure du fil et le grand intérêt du procédé de l'invention.
La figure 5 illustre l'amélioration des propriétés de résistance du fil précité traité par le procédé de l'invention, par rapport au même fil à l'état brut de laminage. Dans les deux cas, le fil a été tréfi- <EMI ID=20.1>
détente dans les conditions indiquées plus haut.
La flèche AB correspond au fil à l'état brut de laminage (point A) puis tréfilé (point B), et la flèche CD se rapporte au fil patenté à l'eau suivant l'invention (point C) puis tréfilé (point D).
Les points A, B, C et D expriment les valeurs des deux propriétés indiquées, à savoir la striction et la charge de rupture, obtenues par un essai de traction pour le fil se trouvant dans l'état correspondant respectivement à ces quatre points. On a également tracé dans
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de rupture (1470 MPa) qui sont généralement imposés au fil dur tréfilé.
La figure 5 montre clairement que le fil brut de laminage et tréfilé
(flèche AB) atteint sensiblement la charge de rupture minimum requise, mais que sa striction est nettement insuffisante. Au contraire, le fil patenté à l'eau suivant l'invention puis tréfilé (flèche CD) présente une striction et une charge de rupture qui sont nettement supérieures <EMI ID=22.1> La description qui précède a porté sur l'exécution en continu, à grande vitesse, d'une série d'opérations de traitement thermique, de préparation de surface et de tréfilage d'un fil d'acier.
L'invention n'est cependant pas strictement limitée à la séquence d' opérations qui a été indiquée. Ainsi, il ne sortirait pas du cadre de la présente invention d'insérer dans cette séquence une ou plusieurs étapes supplémentaires compatibles avec la vitesse de circulation du fil. En particulier, le procédé peut comporter une opération de revêtement du fil en continu, qui peut par exemple être pratiquée après le refroidissement, mais avant le dépôt de la substance d'accrochage du lubrifiant de tréfilage. A cet égard, une telle étape supplémentaire pourrait avantageusement être une opération de galvanisation
au trempé. ^% Revendications.
1. Procédé continu de fabrication de fil d'acier, dans lequel le fil d'acier est initialement déroulé d'une bobine de fil se trouvant à
la température ambiante et est finalement enroulé à nouveau en une bobine de fil, est essentiellement caractérisé en ce que, successivement,
(a) on chauffe le fil rapidement jusqu'à une température supérieure <EMI ID=23.1>
(b) on refroidit brusquement le fil, en une première étape, jusqu'à une température inférieure à 700[deg.]C mais supérieure au point Ms, qui marque le début de la transformation martensitique dudit acier;
(c) on refroidit le fil plus lentement, dans une seconde étape, de façon à assurer la transformation de la majeure partie de l'austénite en perlite;
(d) on dépose à la surface du fil une couche d'une substance favorisant l'accrochage du lubrifiant de tréfilage; et
(e) on tréfile le fil à sa dimension finale.
Continuous process for manufacturing steel wire.
The present invention relates to a continuous process for manufacturing steel wire, in particular concrete prestressing wire,
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Currently, steel wire is usually produced by rolling
hot an ingot first in billets then in wire rod whose diameter is between 5.5 mm and 14 mm. The wire rod can also be obtained from blooms or continuous casting billets. This wire rod is then drawn in several passes, through dies of decreasing diameter, to the desired final diameter.
After drawing, the wire undergoes an aging treatment under tension intended to give it good resistance to relaxation (/ tensions in service.
In addition to its relaxation properties, the quality of the final product is characterized by two parameters, the breaking load and the necking.
In the raw rolling state, the unalloyed machine wire has a structure such that the finished wire does not have, after the treatment described above, sufficient strength.
Different methods are used to remedy this situation, methods which all have technical or economic disadvantages to varying degrees:
1) increase in the rate of work hardening. This method increases the resistance of the wire, but deteriorates its ductility (reduction in necking).
2) Increase in the carbon content. This method has the disadvantage of increasing the difficulty of processing the wire rod and in particular of making random the use of semi-finished products for continuous casting (axial segregation).
3) Addition of chromium and silicon. This method increases
manufacturing costs.
4) Patenting treatment.
This last treatment constitutes the most effective method of wire improvement, because it allows the increase in resistance and necking; it consists in passing the wire rod slowly through a reheating furnace in order to bring its temperature beyond the transformation point A3 and thus to make it entirely austenitic. The wire rod is then cooled either by natural air cooling (air patenting) or by immersion in a
lead bath (lead patenting). After patenting, the wire rod is then subjected to pickling and surface treatment before being drawn. The surface treatment essentially comprises the deposition of a layer of a substance, such as borax or lime, intended to facilitate the attachment of the drawing lubricant.
All patenting, pickling, surface treatment and wire drawing operations are generally carried out in wire drawing workshops, to which the wire rod is delivered in the raw rolling state.
Currently, all these operations are separated by more or less long periods of storage of the wire rod, which involves numerous manipulations and requires the development of storage areas at the various stages of wire preparation.
It would obviously be highly desirable if all these operations could be combined so as to be carried out continuously from patenting to drawing. Manufacturers could thus benefit from the advantages attached to continuous processes, namely the reduction of handling and storage costs, the reduction of space requirement by eliminating storage areas, the reduction of energy consumption, the reduction in manufacturing times and increased regularity of processing.
In the wire drawing field, the serialization of the above operations in a single continuous process comes up against a fundamental difficulty, namely the very large speed difference between patenting and wire drawing. In practice, the ratio of the wire speeds between these two operations can reach and even exceed 15.
For example, for a wire rod 12 mm in diameter, the speeds are respectively 0.063 m / s for patenting and 0.986 m / s at the entry-of the drawing, that is a speed ratio greater than
15. With such a wire, lead patenting at a speed of 0.986 m / s
- compatible with wire drawing - would require a lead bath with a length of more than 60 m, which obviously cannot be envisaged in an industrial application ..-. / A first object of the present invention consists precisely in proposing a process for the manufacture of steel wire, comprising patenting and wire drawing, in which the wire moves, at each stage of manufacture, at speeds compatible with the speed of entry of the wire drawing.
Another object of the present invention is to reveal a process for the serialization, in a continuous process, of the patenting, surface treatment and wire drawing operations of a steel wire.
The process which is the subject of the present invention is based on the development by the Applicant of a patenting operation with water of the steel wire traveling at high speeds, of the order of magnitude of the speeds practiced at the entrance to the wire drawing.
This rapid patenting process with water still constitutes
another object of the present invention.
The method of the invention is applicable to a wire generally being in the form of a coil, such as pickled machine wire or wire having undergone a first drawing. As regards the pickled wire rod, pickling can either have been carried out separately, for example following rolling, or be carried out continuously immediately before the process of the invention.
It will also be emphasized that, in the process of the invention, the steel wire is unwound from the initial coil and it is subjected continuously, that is to say without intermediate manipulations or interruption of its running movement, to various successive preparation and drawing operations, then it is again wound into a final coil.
Under these conditions, the process which is the subject of the present invention, for the continuous manufacture of steel wire, in which
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at room temperature and is finally wound up again in a spool of wire, is essentially characterized in that, successively,
(a) the wire is heated quickly to a temperature above point A3;
(b) the wire is suddenly cooled, in a first step, to a temperature below 700 [deg.] C but above the point Ms, which marks the beginning of the martensitic transformation of said steel;
(c) the wire is cooled more slowly, in a second step, so as to ensure the transformation of most of the austenite into perlite;
(d) a layer of a substance promoting the attachment of the wire drawing lubricant is deposited on the surface of the wire; and
(e) the wire is drawn to its final dimension.
Usually, the wire delivered to wire drawing workshops has a decarburized layer on the surface. In this case, the point Ms mentioned above is that which corresponds to the base steel, that is to say not decarburized. It may then happen that the method of the invention causes, during the first cooling step (point b),
the martensitic transformation of this decarburized layer, due to the higher value of the point Ms in this layer. This does not, however, constitute a drawback because, during the second cooling step, (point c), the surface of the wire heats up to a temperature of at least 580 [deg.] C, which ensures an income of said layer. martensite.
According to a first feature of the invention, the wire is heated under a protective atmosphere, preferably a light atmosphere.
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expensive or remove any oxidation from the wire surface.
The heating conditions are adjusted so that at the exit of the oven, the wire has an austenitic structure at any point of its section and that all the carbides, in particular cementite, present in the wire before heating have been put back into solution.
This condition implies that the wire is brought to a temperature
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in the conventional lead or air patenting technique. In the known technique, however, this is very slow heating, which requires a long time and is not compatible with the high speeds recommended by the present invention.
In the context of the present invention, the speed of heating of the wire is greatly increased, compared with conventional practice, in order to take account on the one hand of the speed of circulation of the wire and on the other hand of the necessary limitation of the oven dimensions.
It also appeared that it was not enough to raise the heating rate, but that it was also necessary to increase the heating temperature to ensure rapid dissolution of the carbides.
According to the invention, the heating temperature is advantageously between 850 [deg.] C and 1050 [deg.] C.
This temperature is reached in a period of time which can vary depending on the speed of the wire but which, also according to the invention, is preferably not more than 5 minates, in order to limit the size of the oven.
According to another feature of the invention, the wire which is at a temperature above point A3 is subjected to a first cooling step intended to remove part of the sensible heat from the wire without causing in it the allotropic transformation of austenite.
This first step is based on the observation that it
<EMI ID = 5.1> sant to vary the temperature at which the pearlitic transformation occurs in the wire. The first cooling step of the process of the invention therefore consists of intense and brief cooling, which preserves the austenitic structure of the wire despite the establishment of high thermal gradients in its section.
The cooling intensity, i.e. the density of heat flux exchanged between the cooling agent and the wire during this first step, must be such that the cooling curve is located in front of the nose of the steel transformation curves constituting the wire.
The duration of the first cooling step is determined by the fact that the temperature of the wire cannot reach at any point.
the temperature Ms at the start of the martensitic transformation.
This first cooling step is preferably carried out
by passing the wire through a stream of coolant circulating in a direction substantially parallel to the longitudinal axis of the wire.
In particular, the wire can be made to circulate substantially along the axis of a tube into which the coolant is injected under pressure into the cylindrical space between the wire and
the inner wall of the tube.
The value of the parameters giving the intensity and the duration of the cooling depends on the diameter and the chemical composition of the wire, as well as on its temperature at the entry of this first cooling step.
For example, in the case of a 5.5 mm to 12 mm diameter wire rod
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850 [deg.] C - 1050 [deg.] C, the duration of the first cooling step will be between 0.3 and 5 seconds; this duration corresponds to a lifetime
<EMI ID = 7.1> spread between 0.5 and 2.5 m. If the coolant is water, the desired cooling intensity can be reached with a water temperature between 45 [deg.] C and 85 [deg.] C and
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According to yet another feature of the invention, the duration of the second cooling step is adjusted so that at the
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in perlite.
It appeared that the intensity of the cooling during this second stage had to respect two conditions of a contradictory nature; on the one hand, it must be high enough to ensure the evacuation of the heat of transformation and limit the phenomenon of recalescence so as to allow obtaining fine perlite throughout the section of the wire; and on the other hand, it must be low enough to avoid the formation of bainite or martensite in the wire.
To this end, this second cooling step advantageously consists of immersing the wire in a carried aqueous solution.
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boiling, and preferably maintained at the boil.
In this context, the intensity of the cooling can be modified during the second step by varying the composition and / or the temperature of the aqueous solution in which the wire is immersed.
The cooling time can also be adjusted during the second step by varying the residence time of the wire in the aqueous solution; for a given wire speed, this is equivalent to varying the length of wire immersed in the solution.
As indicated above, this period must be sufficient to
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During the implementation tests of the method, it appeared that
it was also possible to carry out this second stage of the treatment in calm air. In this case, the cooling intensity of the first phase must be increased: the heat flux density and / or the cooling time must be increased. In practice, this consists of modifying one or more of the parameters listed below in the indicated direction:
- increase the water flow,
- decrease the water temperature,
- decrease the wire running speed,
- increase the length of the cooling device.
Still according to the invention, the wire is then subjected to a surface treatment the purpose of which, known per se, is to deposit on its surface a layer of a substance promoting the subsequent attachment of the drawing lubricant. Among the substances generally used for this purpose and which, moreover, are not part of the subject of the invention, are borax and lime.
In a manner also known per se, this surface treatment comprises a first deposition phase and a second phase of drying of the bonding layer of the lubricant.
In the context of the present invention, the deposition phase consists in immersing the wire in an aqueous solution of said substance having a conventional composition but being brought to its boiling point.
According to a feature of the invention, the wire enters said aqueous solution at a temperature above the boiling temperature of the solution.
We know the cooling process of an immersed body
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of the submerged body. If the body temperature at the time of immersion in the bath is above a certain critical temperature, a vapor film is formed on the surface of the body which prevents direct contact of the body with the bath and therefore brakes strongly its cooling. This period is known as the "caléfaction phase". As the body, as it cools, crosses this critical temperature, the vapor film breaks and
the body-bath system is then in a "nucleated boiling phase" during which the body can be wetted by the aqueous bath;
the cooling exerted during this last phase is faster .. than during the caulking phase. It may be recalled that this critical temperature depends in particular on the surface condition of the product as well as on the composition and the temperature of the aqueous bath.
According to the invention, the wire leaves said aqueous solution at a temperature below the critical temperature defined above.
The wire is then dried in a conventional manner, then coated with the drawing lubricant and finally drawn.
It should however be emphasized that if the drawing constraints allow the wire to exit the aqueous solution at a relatively high temperature, although below the aforementioned critical temperature, for example at 150-200 ° C., the drying of the wire is greatly facilitated and one can avoid resorting to blowing hot air.
According to a particularly advantageous implementation of the method of the invention, the second cooling step and the first phase of surface treatment of the wire are combined in a single operation.
To this end, the wire, which is at a temperature above the point Ms of the steel, is immersed in an aqueous solution containing the
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This particular implementation has in particular the important advantage of using only one aqueous bath, which leads to a simplification of the installation and consequently a reduction in its cost.
In the particular implementation of the invention, the second step of cooling the wire takes place in the surface treatment solution. The wire enters it at a temperature close to 600 [deg.] C, which is the temperature reached by the wire at the end of the intense and brief cooling of the first stage. Upon immersion, a layer of vapor is formed on the surface of the wire which prevents direct contact of the wire with the solution and which regulates heat exchange. It is the period of "caléfaction" recalled above; it thus coincides with the second stage of cooling.
As soon as the temperature of the wire falls below the critical value defined above, the "nucleated boiling" regime appears almost instantaneously and the surface of the wire is brought into contact with the solution. As soon as this phenomenon occurs, the substance contained in the solution is deposited on the wire and the wire can be immediately removed from the solution.
According to the invention, the wire is introduced into said aqueous solution
at a temperature in the region of 600 [deg.] C and it is removed when its temperature is below the critical temperature corresponding to the passage from heat build-up to nucleated boiling.
In this implementation, the composition and the temperature of the aqueous solution are governed by the conditions of the surface treatment.
In particular, the solution is maintained at its boiling temperature, which ensures a strictly constant temperature and facilitates the evacuation of the heat extracted from the wire by simple condensation of the vapor released. / Since the wire can be removed from the bath immediately after crossing the above critical temperature, the duration of the first surface treatment phase can be very short. The temperature of the wire at the end of this first phase is significantly higher than the temperature of the solution and the bonding layer can therefore form under very favorable conditions. In addition, drying can be carried out without having to resort to blowing hot air.
Other particularities and advantages of the process of the invention will appear on reading the description which follows, which refers to the appended drawings, in which FIG. 1 schematically illustrates the discontinuous process of manufacturing a drawn wire according to the technique anterior; FIG. 2 schematically illustrates the continuous process, according to the invention, for the manufacture of a drawn wire at high speed; FIG. 3 shows the evolution of the breaking load, as a function of the water temperature in the first cooling step, for two values of the injection pressure, for a wire treated according to the method of the invention .
By way of comparison, it also indicates the average level of the breaking load obtained by lead patenting on the one hand and in the raw rolling state on the other hand; FIG. 4 illustrates the distribution of the hardness along a radius of the section of a wire treated according to the conditions of FIG. 3; and FIG. 5 illustrates the improvement in the properties of the wire brought by the water patenting according to the invention compared to the raw rolling state.
With reference to FIG. 1, it will be recalled succinctly that the usual process for manufacturing a drawn wire comprises patenting, pickling, surface treatment and finally drawing operations, separated each time by periods of storage. In this process, the wire is at room temperature / ^ / for all operations performed after patenting. As already mentioned in the introduction, the relationship between the speed of
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12 mm in diameter - and opposes any continuation of the process.
FIG. 2 schematically represents an installation for implementing the continuous process which is the subject of the invention. In practice, the installation will of course include the usual equipment for continuous lines, such as welders, input and output accumulators, lubricant applicators, etc., which, for the sake of clarity, are not shown in Figure 2.
The wire, unwound from the initial coil 1, enters a heating furnace 2 under a reducing atmosphere, where it is brought to a temperature.
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2, the wire is subjected to a first, intense and brief cooling step, in a device 3 which is preferably constituted by a tube traversed by water. This first cooling step brings the wire temperature down to a value, greater than the Ms point, leading to the desired mechanical properties. This value of the wire temperature is generally between 580 [deg.] C and 650 [deg.] C. The device designated by the reference numeral 4 essentially consists of a tank containing an aqueous solution brought to its boiling temperature. This solution contains, in proportions known per se, a substance intended to facilitate the attachment of the drawing lubricant.
This arrangement corresponds to the particular implementation of the invention, in which the second cooling step, comprising pearlitic transformation, and the deposition phase of the abovementioned substance are combined in a single operation. The wire enters the aqueous solution at a temperature, close to 600 [deg.] C as indicated above, yes is significantly higher than the temperature of the solution. It therefore contributes to maintaining the solution at boiling point and thus limiting consumption
<EMI ID = 16.1> In this solution, the wire is cooled at a relatively low speed during the caulking period, which allows the transformation of the austenite into fine perlite and the evacuation of the heat of transformation thus avoiding the phenomenon of recalescence. Shortly after the establishment of the nucleated boiling period mentioned above, which allows the deposition of the substance contained in the solution, the wire leaves the device 4 and it is introduced into the drying chamber 5. The drying operation can be carried out, in a conventional manner, by blowing hot air on the wire. However, if the wire drawing constraints allow it, the wire can leave the device 4 at a temperature of
150 - 200 [deg.] C which ensures natural drying without blowing hot air.
After having been provided with the drawing lubricant in a usual device not shown, the wire is drawn in 6 to the desired dimension then wound in 7 into a final coil.
From its entry into the heating oven 2 to the exit of the drying device 5, the wire is kept away from atmospheric air in order to avoid its oxidation. To this end, it passes through sealed devices 8 arranged between the various items of equipment 2, 3, 4 and 5. It therefore does not require any pickling before it is brought into contact with an aqueous cooling agent.
It should however be emphasized that, during the first cooling step (3), the wire undergoes surface oxidation by contact with water vapor. A very thin layer of FeO iron oxide is formed on this occasion, which however must not be removed because, combined with the substance (borax, lime) deposited later, it constitutes an excellent bonding layer of the drawing lubricant. .
Still in FIG. 2, the reference numeral 9 designates a heat exchanger making it possible to adjust the temperature of the cooling water of the first stage; in 10 is shown a condenser ensuring the condensation of the water vapor released by the boiling solution during the combined operation of cooling-ment and surface treatment. Finally, the pump 11 injects pressurized water into the device 3 of the first step.
Figures 3, 4 and 5 illustrate an example of treatment of a steel wire according to the present invention.
The treatment focused on a steel wire for prestressing, of a diameter
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tial (coil 1, figure 2), the wire was hot rolled and pickled. The wire was first made austenitic by heating to 880 [deg.] C in 10 s,
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this steel being about 725 [deg.] C. The first cooling step consisted of quenching for 1.21 s in a stream of water at different temperatures injected under two different pressures. After quenching, the temperature of the wire was equalized to approximately 620 [deg.] C and the wire was immersed, at this temperature, in a boiling solution containing approximately 100 g of borax per liter. After a stay of
25 s in this solution, the wire came out at a temperature of
190 [deg.] C. The drying was carried out by natural evaporation, then the wire was drawn to a diameter of 7 mm, ie with a reduction
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steel breaking load.
FIG. 3 shows that the water patenting process, which constitutes one of the objects of the present invention, makes it possible to achieve a breaking load equivalent to that which is reached by lead patenting. It also appears that this breaking load, of the order of 1185 MPa to 1240 MPa, is much higher than that which corresponds to the raw rolling state, for which it is on average
at around 1050 MPa. The two curves in FIG. 3 also show that to reach the desired level of breaking load, the temperature of the cooling water must be higher when the injection pressure increases. For example, a breaking load of 1200 MPa is reached by injecting water at 53 [deg.] C under a pressure of 0.5 bar, while the water temperature must drop to 62 [deg.] C if the injection pressure is 1 bar.
For the same wire, FIG. 4 shows the distribution of the hardness HV along a radius, from the center to the surface of the wire, after patenting with water according to the invention. This distribution appears remarkably uniform, which clearly indicates the regularity of the structure of the wire and the great interest of the process of the invention.
FIG. 5 illustrates the improvement in the resistance properties of the aforementioned wire treated by the method of the invention, compared with the same wire in the raw rolling state. In both cases, the wire was trefoil <EMI ID = 20.1>
relaxation under the conditions indicated above.
The arrow AB corresponds to the wire in the raw rolling state (point A) then drawn (point B), and the arrow CD refers to the wire patented with water according to the invention (point C) then drawn (point D ).
Points A, B, C and D express the values of the two properties indicated, namely necking and breaking load, obtained by a tensile test for the wire in the state corresponding to these four points respectively. We also traced in
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of rupture (1470 MPa) which are generally imposed on the hard drawn wire.
Figure 5 clearly shows that the raw rolling and drawn wire
(arrow AB) appreciably reaches the minimum breaking load required, but that its necking is clearly insufficient. On the contrary, the thread patented with water according to the invention then drawn (CD arrow) has a necking and a breaking load which are much higher <EMI ID = 22.1> The above description has focused on continuous execution , at high speed, of a series of heat treatment, surface preparation and wire drawing operations.
The invention is not however strictly limited to the sequence of operations which has been indicated. Thus, it would not be departing from the scope of the present invention to insert in this sequence one or more additional steps compatible with the speed of circulation of the wire. In particular, the process can include a continuous coating of the wire, which can for example be carried out after cooling, but before the deposition of the bonding substance of the wire drawing lubricant. In this regard, such an additional step could advantageously be a galvanizing operation.
by soaking. ^% Claims.
1. A continuous method of manufacturing steel wire, in which the steel wire is initially unwound from a coil of wire lying at
room temperature and is finally wound up again in a coil of wire, is essentially characterized in that, successively,
(a) the wire is heated quickly to a higher temperature <EMI ID = 23.1>
(b) the wire is suddenly cooled, in a first step, to a temperature below 700 [deg.] C but above the point Ms, which marks the beginning of the martensitic transformation of said steel;
(c) the wire is cooled more slowly, in a second step, so as to ensure the transformation of most of the austenite into perlite;
(d) a layer of a substance promoting the attachment of the wire drawing lubricant is deposited on the surface of the wire; and
(e) the wire is drawn to its final dimension.