EP0235067B1 - Procédé de revêtement protecteur de produits sidérurgiques - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the protection of the surface of steel products formed at a relatively high temperature.
- a preferred application of the invention relates to long products and, typically but not limited to, the protection of concrete reinforcing bars.
- the temperature at the end of production of the concrete rods at the exit from the finishing stands of the rolling mills is usually of the order of 900 to 1000 ° C.
- the concrete reinforcing bars are then cooled, put on hold, then resumed to be cut to length.
- concrete reinforcing bars are not considered as noble products and do not undergo any protective treatment.
- hot dip galvanizing requires, barring exceptions (JP-A-54/133438), a prior pickling of the round with acid, because the scale is a barrier to the galvanizing reaction.
- Calamine also opposes electrolytic deposition, or the apposition of a film-forming material, preceded by the formation of a primer layer, either by heat treatment (US-A-3085 034), or by reaction. of the bare surface with an acid solution of metallic sulphates (GB-A-1153 202) or by steam (Review of Current Litterature on the paint and allied Industries, vol. 22, n ° 129, May-June 1949, p. 265).
- the object of the invention is to propose a protective coating process for steel products which is effective and economical, and free from the abovementioned drawbacks.
- the invention achieves its object by the fact that the product is produced hot and the speed of its accelerated cooling is controlled from a temperature of the order of 900 to 1000 ° C. up to a temperature of 600 to 550 ° C. approximately, so that the thickness of the resulting scale which forms naturally on the surface is less than an adhesion threshold, characteristic of the metal from which the product is made and of its temperature at the end of production, and then deposited, directly on the layer of scale thus formed, a protective material.
- the cooling of the product after its shaping is controlled, so that the average thickness of the scale layer formed during cooling does not exceed approximately 8 ⁇ m .
- the expression "hot” refers to the temperatures, known to those skilled in the art, which result in the rapid formation of a layer of scale.
- the invention goes against the prejudice firmly established for the skilled person, prejudice according to which the scale which naturally forms during the production of the hot product, is absolutely incompatible with the adhesion of a surface layer of material protective. Indeed, it has been surprisingly discovered that, according to the invention, when the formation of scale is controlled, this layer may have characteristics (of adhesion and roughness in particular) which make it possible to apply it directly (ie without pickling, but without excessive waiting which would degrade the surface) a perfectly adherent protective coating.
- the protective coating is a layer of a material intended to form itself a barrier between the metal surface, covered with scale, and the atmosphere (without the intervention of a chemical reaction mique between said material and the scale, unlike the document FR-A-2 029 285 cited above).
- Controlling the formation of scale involves controlling the cooling: rapid cooling (by soaking in water, for example) is particularly favorable because it avoids maintaining the metal surface for too long at a relatively high temperature, conducive to the rapid development of scale.
- the cooling control is often easier with long products, especially of relatively small section, than with flat products.
- the invention finds a particularly advantageous application in the context of installations for the production of concrete reinforcing bars where an accelerated cooling device exists.
- TORSID [ R ] the concrete rod is quenched by a sheath of water, while passing through a cooling tube. Subsequent natural heating from the core leaves the product surface at 400-500 ° C at the outlet of the rolling train.
- the bars are hot cut and placed laterally on an air-cooling table, allowing the temperature to drop to appreciably ambient temperature, with a view to resuming them, for exact lengthening and leaving the installation. .
- the fresh scale covering the concrete rods (with an average thickness of 2 to 3 ⁇ m) allows direct coating with a layer of protective material.
- the coating is a zinc metallization by spraying, because this technique can take place over a wide range of temperatures, which makes it possible to treat the bars at any stage of their cooling on the cooling table.
- the method according to the invention is all the more economical since not only does it avoid the descaling step, but it is inserted locally in a generally uncluttered zone of the installation and is inserted in a passive phase of the round cooling process.
- the average thickness of the zinc coating is advantageously of the order of 20 to 40 ⁇ m, to provide sufficient protection. A much greater thickness can lead, in the case of folding of the coated round, to cracking of the coating. However, it should be noted that, even when cracked, the zinc coating provides protection (sacrificial type this time).
- zinc and aluminum alloys can be used instead of zinc (the latter entering in proportion up to 20%), easier to apply and having better resistance.
- the preferred alloy is the Dunois alloy (90% Zn - 10% AI).
- the holding of the protective coating directly applied to the scale is conditioned by the adhesion of the scale and the quality of its surface.
- adhesion covers two aspects: the adhesion before application of the protective coating, which is linked to the adhesion of the oxide layer during its growth, during the accelerated cooling of the raw product, and the adhesion to the during the forming of the coated product, which is linked to the deformation ability of the oxides during mechanical deformation of the coated product (for example, by bending the ends of the concrete bars).
- the oxide formation takes place with an increase in volume (x 1.7 to 2) compared to the metal which gave it birth. Therefore, at the metal / scale interface, the oxide is in compression and the metal in tension. All of these accumulated stresses are resolved without breaking for thin calamines (a few micrometers) and all the better since the structure of the oxides is said to be decomposed (accelerated cooling to approximately 600-550 ° C. then slowed down to room temperature - but in a generally weak oxidizing atmosphere). For thick calamines (greater than about 10 ⁇ m), the stresses are absorbed by oxides ruptures and detachments at the interface. So, without external mechanical stresses for simple reasons of growth, a scale, to be non-degraded, must be thin (a few ⁇ m). Generally, until about 6-8 pm, there is no break.
- the limiting thickness increases.
- the metallic coating does not come off with the oxide during a deformation, its thickness must be less than a limit value, which has never been quantified, during experiments on concrete rods, in below 8 ⁇ m.
- the surface of the scale must be rough, clean and regular. These qualities most often depend on the stages of prior shaping of the product. In the case of long products (and particularly concrete reinforcing bars), the surface roughness after shaping in rolling trains, is generally important (very often very superior to that of flat products which require a more careful surface quality). The cleanliness and regularity of the surface are then ensured if the installation of the coating takes place, in accordance with the invention, directly on the oxide which has just been formed, without unnecessary waiting.
- this adhesion threshold is defined as the maximum value of the calamine thickness which simultaneously satisfies these two aspects, therefore the more severe of the two. In this case, it is that relating to the adhesion of scale during formation on a straight rectilinear product of manufacture and whose said maximum value reaches approximately 8 ⁇ m.
- the thickness of scale "C” formed in accordance with the invention was measured on concrete bars “M” obtained by the “TORSID” process.
- the average thickness is 1 to 2 ⁇ m, with, very locally, extra thicknesses of up to 12 ⁇ m. Micrographs have confirmed that the oxide layer is very adherent and that the appearance of the external surface is tormented, with significant roughness.
- the concrete bars previously examined were zinc-plated by spraying with a gun.
- a series of samples received an "R" coating with an average thickness of 60 ⁇ m.
- a second series received a coating with an average thickness of 200 ⁇ m.
- Micrographs of the rounds of test 1 made it possible to note an excellent penetration of zinc R into all the crevices of the scale 'C' and of the surface of the metal M; very good adhesion of the coating to the scale; a very good compactness of the coating and a very rough external appearance, suggesting good bonding with the concrete.
- test 1 The rounds of test 1 were tested in a salt spray under the following standard conditions: temperature of 35 ° C and water at 5% NaCl (50 g / I).
- the rounds coated with the Dunois alloy held better than those coated with pure zinc (fig. 3 b).
- Shaped circles and rectilinear circles have similar resistance to salt spray for a coating of the same type: in particular, there is no appearance of rust in the chipped zone of the shaped circles surface protection ).
Description
- L'invention concerne la protection de la surface des produits sidérurgiques mis en forme à une température relativement élevée.
- Une application préférée de l'invention concerne les produits longs et, de manière typique mais non limitative, la protection des ronds à béton.
- La température de fin d'élaboration des ronds à béton en sortie des cages finisseuses des laminoirs est usuellement de l'ordre de 900 à 1000°C. Les ronds à béton sont ensuite refroidis, mis en attente, puis repris pour être mis à longueur.
- Dans la pratique courante, les ronds à béton ne sont pas considérés comme des produits nobles et ne subissent aucun traitement de protection.
- Cependant, on constate actuellement un besoin croissant en ronds à béton protégés contre la corrosion. Ainsi, pour certains marchés où le stockage à l'air libre dure longtemps (e.g. six mois) et se fait dans une atmosphère relativement corrosive telle que celle d'un port, une protection, au moins temporaire, des ronds à béton est souhaitable. Dans d'autres cas, on demande une meilleure résistance à la corrosion en service des ronds utilisés dans des ouvrages réalisés en un béton particulier, dont certains constituants sont plus particulièrement propices à la corrosion, ou bien réalisés en milieu relativement agressif. Là, une protection longue est souhaitable.
- Pour répondre à ce besoin croissant; il est nécessaire de trouver un procédé de protection efficace et économiquement acceptable. Ce dernier critère est d'autant plus sévère que la valeur marchande des ronds à béton en eux-mêmes est très faible.
- Ainsi, la solution qui a été proposée, de réaliser les ronds en acier inoxydable, en totalité ou en placage, ne peut être généralisée en raison de son coût.
- Les procédés connus de l'homme du métier pour la protection du fer n'ont pas, jusqu'à présent, trouvé d'application commercialement intéressante pour les ronds à béton, car ils exigent tous une étape de préparation préalable du produit pour le débarrasser de la calamine et autres oxydes développés en surface pendant le refroidissement du produit lors de sa fabrication.
- Ainsi, la galvanisation à chaud exige, sauf exception (JP-A-54/133438), un décapage préalable du rond à l'acide, car la calamine fait barrière à la réaction de galvanisation. La calamine s'oppose également à un dépôt électrolytique, ou à l'apposition d'une matière filmogène, précédée de la formation d'une couche d'apprêt, soit par traitement thermique (US-A-3085 034), soit par réaction de la surface nue avec une solution acide de sulfates métalliques (GB-A-1153 202) ou à la vapeur (Review of Current Litterature on the paint and allied Industries, vol. 22, n° 129, mai-juin 1949, p. 265).
- De même, la métallisation par projection (dite "schoopage"), notamment la métallisation au zinc, est connue de l'homme de métier pour exiger un décapage, par sablage ou grenaillage, de la surface à traiter (cf. "Techniques de l'Ingénieur", M1641-4, paragraphe 3.6; "La métallisation du zinc", p. 5, paragraphe 5, et 13, paragraphe 9, publié par le "Centre Technique du Zinc"). Systématiquement donc, on cherche à obtenir sur le produit brut, une calamine la moins adhérente possible pour en faciliter l'enlèvement. Or, ce décapage exige une reprise individuelle ou par très petits groupes, des ronds à béton produits, et alourdit donc considérablement le prix de revient des ronds traités.
- Des inconvénients semblables obèrent le procédé divulgué par le document FR-A 029 285 selon lequel on applique à la surface à protéger, encore très chaude, un borate métallique qui entraîne une réaction de dissolution de la calamine, laquelle donne naissance à une couche friable qu'on doit détacher ultérieurement par un moyen mécanique.
- Le but de l'invention est de proposer un procédé de revêtement protecteur de produits sidérurgiques qui soit efficace et économique, et exempt des inconvénients précités.
- L'invention atteint son but par le fait qu'on élabore le produit à chaud et on contrôle la vitesse de son refroidissement accéléré depuis une température de l'ordre de 900 à 1000°C jusqu'a une temperature de 600 à 550°C environ, de manière que l'épaisseur de calamine résultante qui se forme naturellement sur la surface soit inférieure à un seuil d'adhérence, caractéristique du métal dont est fait le produit et de sa température de fin d'élaboration, et on dépose ensuite, directement sur la couche de calamine ainsi formée, un matériau de protection.
- Dans bon nombre d'applications (notamment pour les ronds à béton), on contrôle le refroidissement du produit après sa mise en forme, de manière que l'épaisseur moyenne de la couche de calamine formée pendant le refroidissement n'excède pas environ 8 pm.
- Dans son sens le plus général, l'expression "à chaud" vise les températures, connues par l'homme de métier, qui entraînent la formation rapide d'une couche de calamine.
- L'invention prend le contrepied du préjugé fermement établi pour l'homme de métier, préjugé selon lequel la calamine qui se forme naturellement lors de l'élaboration du produit à chaud, est absolument incompatible avec l'adhérence d'une couche superficielle de matériau protecteur. En effet, il a été découvert avec surprise que, selon l'invention, lorsque la formation de la calamine est contrôlée, cette couche peut présenter des caractéristiques (d'adhérence et de rugosité notamment) qui permettent d'y appliquer directement (i.e. sans décapage, mais sans attente excessive qui dégraderait la surface) un revêtement protecteur parfaitement adhérent.
- On comprend que, selon l'invention, le revêtement protecteur est une couche d'un matériau destiné à former lui-même barrière entre la surface métallique, recouverte de calamine, et l'atmosphère (sans intervention d'une réaction chimique entre ledit matériau et la calamine, à la différence du document FR-A-2 029 285 précité).
- Le contrôle de la formation de la calamine passe, selon l'invention, par le contrôle du refroidissement: un refroidissement rapide (par trempage à l'eau, par exemple) est particulièrement favorable parce qu'il évite de maintenir trop longtemps la surface métallique à une température relativement élevée, propice au développement rapide de la calamine.
- Dans la pratique actuelle, le contrôle de refroidissement est souvent plus aisé avec les produits longs surtout de relativement faible section, qu'avec les produits plats. A cet égard, l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le cadre des installations de production de ronds à béton où existe un dispositif de refroidissement accéléré. Ainsi, dans le système connu sous le nom de TORSID[ R ], le rond à béton est trempé par une gaine d'eau, en défilant dans un tube refroidisseur. Un réchauffement naturel subséquent à partir du coeur laisse la surface de produit à 400-500°C en sortie du train de laminage. Les barres sont coupées à chaud et disposées latéralement sur une table de refroidissement à l'air, permettant à la température de baisser jusqu'à sensiblement la température ambiante, en vue de leur reprise, pour mise à longueur exacte et sortie de l'installation. Sur la table de refroidissement, la calamine fraîche qui couvre les ronds à béton (d'épaisseur moyenne de 2 à 3 pm) permet le revêtement direct par une couche de matériau protecteur.
- Il est avantageux que le revêtement soit une métallisation au zinc par projection, car cette technique peut s'opérer dans une large gamme de températures, ce qui permet de traiter les barres à un stade quelconque de leur refroidissement sur la table de refroidissement.
- On comprend qu'ainsi mis en oeuvre, le procédé selon l'invention est d'autant plus économique que, non seulement il évite l'étape de décalaminage, mais il s'insère localement dans une zone généralement non encombrée de l'installation et s'intercale dans une phase passive du processus de refroidissement des ronds.
- L'épaisseur moyenne du revêtement de zinc est avantageusement de l'ordre de 20 à 40 pm, pour assurer une protection suffisante. Une épaisseur beaucoup plus importante peut conduire, dans le cas de pliage du rond revêtu, à une fissuration du revêtement. Il est cependant à remarquer que, même fissuré, le revêtement de zinc assure une protection (de type sacrificiel cette fois-ci).
- Sur les ronds à béton, on peut utiliser au lieu du zinc, des alliages de zinc et d'aluminium (ce dernier entrant en proportion jusqu'à 20%), plus faciles à appliquer et ayant une meilleure tenue. L'alliage préféré est l'alliage Dunois (90% Zn - 10% AI).
- Sans vouloir limiter l'invention par des explications théoriques, il semble cependant que celle-ci s'appuie sur. ies considérations suivantes.
- La tenue du revêtement protecteur directement appliqué sur la calamine est conditionnée par l'adhérence de la calamine et la qualité de sa surface.
- La notion d'adhérence recouvre deux aspects: l'adhérence avant application du revétement protecteur, qui est liée à l'adhérence de la couche d'oxyde au cours de sa croissance, lors du refroidissement accéléré du produit brut, et l'adhérence au cours du formage du produit revêtu qui, elle, est liée à l'aptitude à la déformation des oxydes au cours d'une déformation mécanique du produit revêtu (par exemple, par pliage des extrémités des ronds à béton).
- Pour ce qui est du premier aspect, il se trouve que la formation d'oxyde se fait avec augmentation de volume (x 1,7 à 2) par rapport au métal qui lui a donné naissance. Donc, à l'interface métal/ calamine, l'oxyde est en compression et le métal en traction. L'ensemble de ces contraintes accumulées se résout sans rupture pour les calamines minces (quelques micromètres) et d'autant mieux que la structure des oxydes est dite décomposée (refroidissement accéléré jusqu'à 600-550°C environ puis ralenti jusqu'à la température ambiante - mais en atmosphère peu oxydante en général). Pour les calamines épaisses (supérieures à environ 10 pm) les contraintes se résorbent par des ruptures des oxydes et des décollements à l'interface. Donc, sans sollicitations mécaniques extérieures pour de simples raisons de croissance, une calamine, pour être non dégradée, doit être mince (quelques µm). Généralement, jusqu'à 6-8 pm environ, on ne constate pas de rupture.
- Pour ce qui est du second aspect, il existe deux modes de rupture pour les calamines: une rupture par fissuration perpendiculaire à l'interface métal/oxyde sans perte d'adhérence, donc acceptable, et une rupture par décollements d'écailles d'oxydes qui, elle, est inadmissible. La frontière entre les deux modes est une épaisseur limite d'oxyde qui dépend:
- de la température de formation de l'oxyde: à 900°C, l'épaisseur limite se situe entre 8 et 13 pm suivant l'état de surface au départ, alors qu'à 750°C, l'épaisseur limite se situe entre 18 et 30 µm;
- de la rugosité de la surface avant oxydation: à 800°C en surface polie, l'épaisseur limite est de 10 pm environ, alors qu'en surface brute (rugueuse), cette épaisseur limite s'élève à 18 pm environ;
- et également de la structure des oxydes, car pour les oxydes décomposés, l'épaisseur limite augmente.
- Pour que le revêtement métallique ne se détache pas avec l'oxyde au cours d'une déformation, il faut que son épaisseur soit inférieure à une valeur limite, laquelle n'a jamais été chiffrée, lors des expérimentations sur des ronds à béton, en dessous de 8 µm.
- Pour être apte à être revêtue du matériau protecteur, la surface de la calamine doit être rugueuse, propre et régulière. Ces qualités dépendent le plus souvent des étapes de mise en forme préalable du produit. Dans le cas des produits longs (et particulièrement des ronds à béton), la rugosité superficielle après mise en forme dans les trains de laminage, est généralement importante (bien souvent très supérieure à celle des produits plats qui requièrent une qualité de surface plus soignée). La propreté et la régularité de la surface sont alors assurées si la mise en place du revêtement a lieu, conformément à l'invention, directement sur l'oxyde qui vient d'être formé, sans attente inutile.
- Par ailleurs, on caractérise commodément ces deux aspects que recouvre la notion d'adhérence de la calamine, par un "seuil d'adhérence", représentatif de la nature du métal dont est fait le produit et de sa température de fin d'élaboration à chaud (fin de laminage généralement) correspondant au début de formation de la calamine que l'on veut conserver sur le produit. Ainsi, ce seuil d'adhérence se définit comme la valeur maximale de l'épaisseur de calamine qui satisfait simultanément ces deux aspects, donc le plus sévère des deux. En l'occurrence, il s'agit de celui relatif à l'adhérence de la calamine en cours de formation sur produit rectiligne brut de fabrication et dont ladite valeur maximale atteint 8 pm environ.
- A titre d'illustration, on a réalisé les examens et essais qui sont décrits ci-après en référence à la planche de représentations photographiques annexée, sur laquelle:
- la figure 1 est une coupe micrographique partielle grossie 500 fois, d'un rond à béton revêtu selon l'invention;
- les figures 2 a et 2 b sont des vues de ronds à béton respectivement nu, c'est à dire recouvert de calamine formée selon l'invention, et revêtu par une matière protectrice (zinc);
- les figures 3 a et 3 b sont des vues correspondantes aux figures 2.a et 2.b, montrant les mêmes ronds à béton, mais après exposition de 400 h à une atmosphère de brouillard salin.
- On a mesuré l'épaisseur de calamine "C" formée conformément à l'invention sur des ronds à béton "M" obtenus par le procédé "TORSID". L'épaisseur moyenne est de 1 à 2 pm, avec, très localement, des surépaisseurs pouvant atteindre 12 pm. Des micrographies ont confirmé que la couche d'oxyde est très adhérente et que l'aspect de la surface externe est tourmenté, avec une rugosité importante.
- Les ronds à béton précédemment examinés (diamètre 8mm) ont été métallisés au zinc par projection au pistolet. Une série d'échantillons a reçu un revêtement "R" d'épaisseur moyenne de 60 µm. Une deuxième série a reçu un revêtement d'épaisseur moyenne de 200 um. On a constaté quelques irrégularités d'épaisseur dues à la présence des verrous présents en relief à la surface des ronds.
- L'aspect des produits obtenus montre que l'adhérence du zinc est très bonne.
- Des micrographies des ronds de l'essai 1 ont permis de constater une excellente pénétration du zinc R dans toutes les anfractuosités de la calamine 'C' et de la surface du métal M; une très bonne adhérence du revêtement sur la calamine; une très bonne compacité du revêtement et un aspect externe très rugueux, laissant prévoir un bon accrochage avec le béton.
- Les ronds de l'essai 1 ont été testés au brouillard salin dans les conditions normalisées suivantes: température de 35°C et eau à 5% NaCI (50 g/I).
- On a constaté que la première rouille n'apparaissait qu'au bout d'environ 8 jours pour les revêtements minces (60 um) et 15 jours pour les revêtements épais (200 pm).
- Des ronds de 10 mm de diamètre ont été revêtus de zinc pour les uns (fig. 2 b) et d'alliage "Dunois" pour les autres, dans des épaisseurs moyennes de 75, 90, 100 et 150 pm. On a conservé aussi des ronds témoins non revêtus (fig. 2 a). On a testé leur aptitude au façonnage par pliage, en les pliant lentement à 90° autour d'un mandrin ayant un diamètre triple de celui des ronds.
- On a noté une fissuration importante de la couche de revêtement, vraisemblablement due à une épaisseur trop importante.
- Les ronds de l'essai précédent ont été testés pendant 400 h dans une enceinte à brouillard salin. On a constaté que des ronds témoins non revêtus se sont dégradés quasi immédiatement (fig. 3 a).
- Pour une même épaisseur de revêtement, les ronds revêtus de l'alliage Dunois ont mieux tenu que ceux revêtus de zinc pur (fig. 3 b).
- Les ronds façonnés et les ronds rectilignes (non façonnés) ont, pour un revêtement de même nature, des tenues au brouillard salin voisines: en particulier, on ne constate pas d'apparition de rouille au niveau de la zone écaillée des ronds façonnés protection superficielle).
- Le mode de réalisation décrit ci-dessus est le mode préféré. Toutefois, en alternative, on peut prévoir d'autres types de revêtement. Ainsi, on peut utiliser une peinture époxy et profiter de la chaleur des ronds non encore totalement refroidis (température de 200-250°C environ) pour réaliser l'auto-réticulation rapide de la peinture (projetée en poudre thermo-durcissable au moyen d'un pistolet). Un tel revêtement, par exemple en couche de 200 pm, permet d'obtenir une excellente protection au brouillard salin pour des ronds rectilignes. En revanche, si des fissurations se produisent lors du pliage de ces ronds revêtus, aucune protection sacrificielle n'est à attendre.
- Il n'est pas inutile de rappeler qu'il ne faut pas confondre la calamine, qui se forme naturellement au cours du processus d'élaboration à chaud d'un produit métallurgique, et la rouille qui, elle, se forme à froid en atmosphère humide sur un produit en cours d'emploi. L'une, la calamine, de couleur sombre, est essentiellement formée d'oxyde de fer à l'état fer reux, alors que l'autre, la rouille, de couleur rougeâtre, est essentiellement formée d'hydroxydes de fer, le fer étant donc à l'état ferrique, et constitue sur le produit une couche friable qui ne présente aucune consistance mécanique significative.
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