EP0124501A1 - Procédé pour l'amélioration de la qualité des profilés en acier - Google Patents

Procédé pour l'amélioration de la qualité des profilés en acier Download PDF

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EP0124501A1
EP0124501A1 EP84870049A EP84870049A EP0124501A1 EP 0124501 A1 EP0124501 A1 EP 0124501A1 EP 84870049 A EP84870049 A EP 84870049A EP 84870049 A EP84870049 A EP 84870049A EP 0124501 A1 EP0124501 A1 EP 0124501A1
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EP
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cooling
phase
product
heat flow
austenite
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EP84870049A
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Marios Economopoulos
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0068—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
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    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/19—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching

Definitions

  • the present invention relates to a method for improving the quality of steel profiles.
  • profiles one understands in the present invention the beams, the irons U, the angles, the plates, broad plates, largets and sheets, and generally any laminate having at least one element of a certain thickness.
  • the method according to the invention aims to obtain by heat treatment, at the outlet of the last stand of the rolling mill train, products with high elastic limit and having a structure and properties that are almost homogeneous over their entire thickness.
  • the process according to the invention is applicable both to quenched steels and to semi-quenched or effervescent steels.
  • this quenching and self-tempering process has drawbacks often resulting from the thickness of the products treated; thus for increasing thicknesses, the cooling rate in the layers below the surface decreases so that the transforma Allotropic tion begins before the martensite transformation temperature is reached. This results in a very significant decrease in the percentage of martensite for these high thicknesses.
  • the process can cause a certain inhomogeneity depending on the thickness of the products treated; it follows that for certain uses one may prefer a more homogeneous character of the properties and for this reason to renounce the spectacular increases in the elastic limit which, even for weldable products, the quenching - self-tempering process provides.
  • the present invention has precisely. relates to a heat treatment process in the hot rolling, to obtain such steel products, of improved quality and having an almost homogeneous structure over the thickness, practically whatever it is.
  • the method according to the invention is particularly applicable to the fa - nufacturing profiles in low alloy steel with low carbon content, for example containing less than 0.2%; its implementation leads to products not having ferrite-perlite balance structures, which do not provide high elastic limits or which at equal elastic limit do not have low equivalent carbons, nor. bainite-martensite quenching structures, which require income, with the vagaries of homogeneity that this treatment presents; on the contrary, the method of the invention aims to produce, in the profiles concerned, intermediate ferrite-bainite structures.
  • the process for improving the quality of the steel sections, object of the present invention, applied to products leaving the rolling mill is essentially characterized in that the external surface of the parts of the product to be treated is subjected to cooling. fast, first with a moderate calorific flow until the surface reaches a temperature slightly higher than the point Ms of the steel considered, en.ce during a second phase of rapid cooling, one adjusts the calorific flow moderated in such a way that the temperature of the surface of the parts of the product to be treated remains substantially constant until the allotropic transformation of the austenite is substantially complete on the surface, in that during a third rapid cooling phase, a high power heat flow is applied so that the cooling speed iisme at the point of the section where this speed is minimum is high enough for the austenite to transform into bainite without the formation of perlite, and in that one then performs a homogenization of temperatures for example in still air.
  • the parameters of the heat treatment described above are chosen, as well as the chemical composition of the steel constituting the profile, so that the volume of pearlitic structure is substantially zero at any point in the section of the profile.
  • a slow cooling phase for example at calm air, said slow cooling phase having a maximum duration such that the transformation of the austenite into ferrite does not exceed 30% in product skin.
  • the heat flow is adjusted during the second rapid cooling phase while tolerating a slight decrease in the temperature of the external surface of the treated parts of the product; the cooling parameters are however adjusted so that the percentage by volume of martensite is substantially zero both on the surface of the profile and in the underlying areas.
  • the heat treatment can be interrupted before the transformation at the heart of the profile is complete, provided that this practice does not cause the appearance of pearlitic structures.
  • the four cooling phases of the process of the invention thus successively lead to the formation of the following structures: the two rapid cooling phases, but with moderate cooling power, ensure the formation of a surface layer of ferrite and / or bainite; the next phase of rapid cooling, but with high cooling power, then transforms the underlying layers also into ferrite and / or bainite, but without the formation of martensite; Finally, the air temperature homogenization and final cooling phase allows the transformation of the residual austenite into bainite, but without perlite formation.
  • the invention can be implemented in cooling installations arranged at the outlet of the rolling mill, installations divided into continuous zones, arranged in such a way that cooling is uninterrupted, even on the underside of the sheet. and despite the presence of the carrier rollers.
  • the cooling intensity of each zone is individually adjustable by varying the specific flow rate of water and / or the distance between the surface to be cooled and the cooling device.
  • the cooling devices are boxes provided with a large quantity of water / air sprayers, or water injectors, the water supply pressure and their distance from the pressure can be varied. surface of the product to be treated.
  • These cooling devices allow a variation of the exchange coefficient, or heat flow, over a wide range, which allows the adaptation of the process to the conditions necessary for obtaining the product with the desired characteristics.
  • the limit thickness for which the treatment can be increased is applicable in the product; so by. example, by lowering the skin temperature to 780 ° C. by prior air cooling, the application of the method of the invention makes it possible to increase the limit thickness by approximately 10 to 15%; this initial cooling can be very effective in homogenizing the properties in the section.

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Abstract

Procédé pour l'amélioration de la qualité des profilés en acier sortant du laminoir dans lequel on soumet la surface à un refroidissement rapide, d'abord avec un flux calorifique modéré jusqu'à ce que la surface atteigne une température légèrement supérieure au point Ms de l'acier considéré, puis en réglant le flux calorifique moderé, de manière telle que la température de la surface des parties du produit à traiter reste sensiblement constante jusqu'à ce que la transformation allotropique de l'austénite soit à peu près complète en surface; au cours d'une troisième phase du refroidissement rapide, on applique un flux calorifique de haute puissance pour que la vitesse de refroidissement au point de section où celle-ci est minimale soit suffisamment élevée pour que l'austénite se transforme en bainite. On effectue finalement une homogénéisation des températures par exemple en air calme.

Description

  • La présente invention se rapporte à un procédé pour l'amélioration de la qualité des profilés en acier. Sous ce vocable de "profilés", on comprend dans la présente invention les poutrelles, les fers U, les cornières, les plats, larges plats, largets et tôles, et d'une façon générale tout laminé présentant au moins un élément d'une certaine épaisseur.
  • Le procédé suivant l'invention vise l'obtention par traitement thermique, à la sortie de la dernière cage du train de laminoir, de produits à haute limite élastique et présentant une structure et des propriétés quasi homogènes sur toute leur épaisseur.
  • Le procédé suivant l'invention est applicable aussi bien aux aciers calmés qu'aux aciers semi-calmés ou effervescents.
  • On connaît déjà des procédés divers pour fabriquer des profilés en acier, notamment des tôles d'une certaine épaisseur, présentant entre autres une charge de rupture, une limite élastique et une résilience aussi élevées que possible pour la nuance d'acier utilisée, ainsi qu'une soudabilité, une résistance à la fatigue et une ductilité satisfaisantes suivant l'usage auquel le profilé est destiné.
  • On sait notamment que pour améliorer la soudabilité d'un acier, il faut diminuer sa teneur en carbone et en manganèse, ou son carbone équivalent, ce qui provoque une diminution de sa résistance à la traction. Pour remédier à cet inconvénient, on soumet l'acier à un traitement de refroidissement approprié, appliqué de préférence dans la chaude de laminage, c'est-à-dire dès la sortie du train de laminoir, ce qui permet d'améliorer certaines caractéristiques mécaniques du profilé.
  • Lorsque le traitement thermique, pratiqué selon des techniques connues jusqu'à présent, ne conduit qu'à un relèvement insuffisant des propriétés des profilés, on peut compléter l'action de ce refroidissement par notamment l'addition d'éléments dispersoides qui affinent le grain de l'acier et provoquent un durcissement de la ferrite par précipitation des éléments en question, par exemple le niobium ou le vanadium. Ce procédé, efficace, présente l'inconvénient d'un coût qui augmente au fur et à mesure que l'on vise une limite élastique plus élevée.
  • Parmi les traitements thermiques récemment mis au point, le procédé de trempe superficielle suivie d'un auto-revenu de la couche trempée, sous l'influence de la chaleur subsistant dans le coeur des profilés après interruption de 'la phase de trempe superficielle, est maintenant bien connu; ce procédé permet d'augmenter remarquablement les propriétés mécaniques des aciers tout en leur conservant une soudabilité et une ductilité très satisfaisantes en raison des faibles teneurs en carbone et manganèse.
  • Pour certaines applications toutefois, ce procédé de trempe et auto-revenu comporte des inconvénients souvent résultant de l'épaisseur des produits traités; ainsi pour des épaisseurs croissantes, la vitesse de refroidissement dans les couches sous la surface diminue de sorte que la transformation allotropique commence avant que la température de transformation en martensite ne soit atteinte. Il en résulte une diminution très importante du pourcentage de martensite pour ces fortes épaisseurs. En outre, le procédé peut entraîner une certaine inhomogénéité suivant l'épaisseur des produits traités; il en résulte que pour certains usages on puisse préférer un caractère plus homogène des propriétés et pour cela renoncer aux augmentations spectaculaires de la limite élastique que procure, même pour des produits soudables, le procédé de trempe - auto-revenu.
  • La présente invention a précisément. pour objet un procédé de traitement thermique, dans la chaude de laminage, permettant d'obtenir de tels produits en acier, de qualité améliorée et présentant une structure quasi homogène sur l'épaisseur, pratiquement quelle que soit celle-ci.
  • Le procédé suivant l'invention est particulièrement applicable pour la fa- brication de profilés en acier faiblement allié à basse teneur en carbone, par exemple à teneur inférieure à 0,2 %; sa mise en oeuvre conduit à des produits présentant non pas des structures d'équilibre ferrite-perlite, qui ne procurent pas de limites élastiques élevées ou qui à limite élastique égale ne présentent pas des carbones équivalents faibles, ni des. structures de trempe bainite-martensite, qui nécessitent un revenu, avec les aléas d'homogénéité que présente ce traitement; au contraire, le procédé de l'invention vise à, réaliser dans les profilés concernés des structures intermédiaires ferrite-bainite.
  • Le procédé pour l'amélioration de la qualité des profilés en acier, objet de la présente invention, appliqué à des produits sortant du laminoir, est essentiellement caractérisé en ce que l'on soumet la surface extérieure des parties du produit à traiter à un refroidissement rapide, d'abord avec un flux calorifique modéré jusqu'à.ce que la surface atteigne une température légèrement supérieure au point Ms de l'acier considéré, en.ce qu'au cours d'une deuxième phase du refroidissement rapide, on règle le flux calorifique modéré de manière telle que la température de la surface des parties du produit à traiter reste sensiblement constante jusqu'à ce que la transformation allotropique de l'austénite soit sensiblement complète en surface, en ce qu'au cours d'une troisième phase du refroidissement rapide, on applique un flux calorifique de haute puissance pour que la vitesse de refroi- iissement au point de la section où cette vitesse est minimale soit suffisamment élevée pour que l'austênite se transforme en bainite sans formation de perlite, et en ce que l'on effectue alors une homogénéisation des températures par exemple en air calme.
  • Suivant l'invention, on choisit les paramètres du traitement thermique décrit ci-dessus, ainsi que la composition chimique de l'acier constituant le profilé, pour que le volume de structure perlitique soit sensiblement nul en tout point de la section du profilé.
  • Suivant une modalité avantageuse de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on intercale entre la sortie du produit de la dernière cage de laminage et le début de la phase de refroidissement-accéléré, une phase de refroidissement lent, par exemple à l'air calme, la dite phase de refroidissement lent ayant une durée maximale telle que la transformation de l'austénite en ferrite ne dépasse pas 30 Z en peau du produit.
  • Suivant une autre modalité préférentielle de mise en oeuvre, on règle le flux calorifique pendant la deuxième phase de refroidissement rapide en tolérant une diminution légère de la température de la surface extérieure des parties traitées du produit; les paramètres de refroidissement sont toutefois réglés pour que le pourcentage en volume de martensite soit sensiblement nul aussi bien en surface du profilé que dans les zones sous-jacentes.
  • Suivant l'invention, on peut interrompre-le traitement thermique avant que la transformation à coeur du profilé soit complète, pour autant que cette pratique ne provoque pas l'apparition de structures perlitiques.
  • Les quatre phases de refroidissement du procédé de l'invention conduisent ainsi successivement à la formation des structures ci-après : les deux phases de refroidissement rapide, mais à pouvoir de refroidissement modéré, assurent la formation d'une couche superficielle de ferrite et/ou bainite; la phase suivante de refroidissement rapide, mais à haut pouvoir refroidissant, transforme ensuite les couches sous-jacentes également en ferrite et/ou bainite, mais sans formation de martensite; enfin la phase d'homogénéisation de température à l'air et de refroidissement final permet la transformation de l'austénite résiduelle en bainite, mais sans formation de perlite.
  • Il peut à ce propos être intéressant de signaler que, en plus de l'homogénéité dans l'épaisseur que présentent les produits fabriqués en mettant en oeuvre le procédé de.l'invention, l'absence de perlite implique des propriétés de résilience améliorées.
  • Le procédé suivant.l'invention peut être mis en oeuvre dans des installations de refroidissement disposées à la sortie du laminoir, installations partagées en zones continues, disposées de manière telle que le refroidissement soit ininterrompu, et ce même sur la face inférieure de la tôle et malgré la présence des rouleaux porteurs..L'intensité de refroidissement de chaque zone est réglable individuellement en faisant varier le débit spécifique d'eau et/ou la distance entre la surface à refroidir et le dispositif de refroidissement.
  • De façon avantageuse, les dispositifs.de refroidissement sont des boîtes pourvues d'une grande quantité de pulvérisateurs eau/air, ou d'injecteurs à eau, dont on peut faire varier la pression d'alimentation en eau et leur distance par rapport à la surface du.produit à traiter. Ces dispositifs de refroidissement permettent une variation du coéfficient d'échange, ou flux calorifique, dans une large plage, ce qui permet l'adaptation du procédé aux conditions nécessaires pour l'obtention du produit aux caractéristiques souhaitées.
  • Pour illustrer le procédé objet de l'invention, on considèrera le cas d'une tôle soumise au traitement suivant l'invention à partir d'une température, à la sortie de la dernière cage du laminoir, de 850°C; l'évolution thermique de la surface de cette tôle consiste en un refroidissement en 8 secondes de 850 à 450°C, suivi d'un maintien à 450°C (phase de maintien à température sensiblement constante).pendant 4 secondes, puis d'un refroidissement rapide à haute puissance pendant 10 secondes et enfin d'une homogénéisation à l'air calme.
  • On peut calculer, par des méthodes connues., la vitesse moyenne de refroidissement entre 800°C et 600°C à coeur, c'est-à-dire au point de la section où la vitesse de refroidissement est minimale, en fonction de l'épaisseur. En utilisant le diagramme CCT de l'acier considéré, on peut déterminer l'épaisseur maximale pour laquelle on peut appliquer le procédé sans obtenir de la perlite à coeur. Ainsi, dans le cas d'un acier présentant l'analyse suivante : carbone, 0,1 X, manganèse : 0,8 %, silicium : 0,37 X, soufre : 0,015 %, phosphore 0,034 %, et niohium : 0,027 %, l'épaisseur maximum possible est de 83,5 mm.
  • L'examen d'une tôle d'acier de 80 mm d'épaisseur, de la composition qui vient d'être décrite, tôle soumise au traitement thermique ci-dessus, montre qu'entre le plan de symétrie de la tôle et une profondeur de 6 mm la structure est constituée de ferrite-bainite; il n'y a aucune formation de martensite dans cette plage, étant donné que la température correspondant à cette transformation n'est atteinte en aucun point; il n'y a pas non plus de formation de martensite en surface étant donné qu'on a maintenu la surface à une température supérieure au point Ms pendant un temps suffisamment long pour assurer - en surface - une transformation complète de l'austénite en bainite.
  • Dans le cas d'une tôle d'épaisseur de 40 mm, on peut établir comme suit Les conditions de mise en oeuvre du procédé de l'invention :
    • - Première phase de refroidissement accéléré : application d'un débit spé- cifique d'eau de 11,6 1/m2.sec. (flux calorifique de 1,4 MW/m2) dans une rampe de 5,5 m de longueur, ce qui, compte tenu de la vitesse de défilement du produit dans la rampe, donne une durée de 7,5 secondes.
    • - Deuxième.phase : application d'un fluide de refroidissement avec un débit spécifique d'eau de 6,9 1/m2.sec. (flux calorifique de 1 MW/m2) pour maintenir la température de la surface sensiblement aux environs de 450°C, dans une rampe de 3,5 m de longueur; à ce moment, soit après un trajet de 9 m et une durée de traitement de 12,5 secondes, toute l'austénite de surface se trouve transformée en ferrite/bainite.
    • - La troisième phase consiste à appliquer un refroidissement avec un flux calorifique de 3,5 MW/m2 (débit d'eau spécifique de 57,8 1/m2.sec.) dans une rampe de 6 m de longueur.
    • - Le traitement de refroidissement rapide est alors interrompu et on laisse la température s'homogénéiser, simplement en air calme, pour terminer la transformation de l'austénite résiduelle.
  • En mettant en oeuvre une des variantes avantageuses du procédé de l'invention, consistant à intercaler entre la fin du laminage et le début du traitement de refroidissement accéléré, un refroidissement a l'air, on peut augmenter l'épaisseur limite pour laquelle le traitement est applicable dans le produit; ainsi par. exemple, en abaissant la température en peau à 780°C par un refroidissement préalable à l'air, l'application du procédé de l'invention permet d'augmenter l'épaisseur limite d'environ 10 à 15 %; ce refroidissement initial peut être très efficace pour homogénéiser les propriétés dans la section.
  • En appliquant une autre modalité de mise en oeuvre du procédé de l'invention, consistant à admettre une température à coeur en fin de traitement de refroidissement accéléré, par exemple de 650°C au lieu de 600°C (augmentation de la température moyenne de transformation), on peut également augmenter l'épaisseur limite que permet de traiter le procédé, dans des conditions de refroidissement., par exemple de longueur de rampe, identiques.

Claims (3)

1. Procédé pour l'amélioration de la qualité des profilés en acier, applique à des produits sortant du laminoir, caractérisé en ce que l'on soumet la surface extérieure des parties du produit à traiter à un refroidissement rapide, d'abord avec un flux calorifique modéré jusqu'à ce que la surface atteigne une température légèrement supérieure au poins Ms de l'acier considéré, en ce qu'au cours d'une deuxième phase du refroidissement rapide, on règle le flux calorifique modéré de manière telle que la température de la surface des parties du produit à traiter reste sensiblement constante jusqu'à ce que la transformation allotropique de l'austénite soit sensiblement complète en surface, en ce qu'au cours d'une troisième phase du refroidissement rapide, on applique un flux calorifique de haute puissance pour que la vitesse de refroidissement au point de la section où cette vitesse est minimale soit suffisamment élevée pour que l'austénite se transforme en bainite sans formation de perlite, et en ce que l'on effectue alors une homogénéisation des températures par exemple en air calme.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on applique, entre la sortie du produit de la dernière cage de laminage et le début de la phase de refroidissement accéléré, une phase de refroidissement lent, par exemple à l'air calme, la dite phase de refroidissement lent ayant une durée maximale télle que la transformation de l'austénite en ferrite ne dépasse pas 30 % en peau du produit.
3. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on règle le flux calorifique pendant la deuxième phase de refroidissement rapide en tolérant une diminution légère de la température de la surface extérieure des parties traitées du produit, en veillant à ce que le pourcentage en volume de martensite soit sensiblement nul aussi bien en surface du profilé que dans les zones sous-jacentes.
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