EP0795616B1 - Procédé et installation de traitement thermique en continu de bandes métalliques dans des atmosphères de nature différente - Google Patents

Procédé et installation de traitement thermique en continu de bandes métalliques dans des atmosphères de nature différente Download PDF

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Description

La présente invention est relative à un procédé de traitement thermique de bandes métalliques. Elle concerne plus particulièrement les industries fortement consommatrices de tôles, où le meilleur moyen de réaliser des économies est de réduire la masse, donc l'épaisseur des tôles, tout en conservant d'excellentes propriétés mécaniques. L'opération de recuit continu répond parfaitement à ces espérances.
L'invention s'intéresse à la technologie des fours de traitement de bandes en continu. De tels fours (voir par exemple FR-A-2 282 472 et FR-A-2 375 334) sont utilisés dans des lignes de recuit en continu ou des lignes de galvanisation en continu, cependant l'invention peut s'appliquer à d'autres types d'installations où les bandes sont traitées en continu, sous atmosphère protectrice.
Le procédé s'articule autour d'un ou plusieurs fours de recuit de bandes qui sont constitués de plusieurs sections équipées pour réaliser consécutivement les différentes phases du cycle du traitement thermique, qui sont dans le cas le plus simple : chauffage, maintien, refroidissement.
A la fin de chacune des phases, la température atteinte par le produit est déterminée et doit être stabilisée afin d'obtenir les caractéristiques métallurgiques requises.
L'opération est aisée et couramment exécutée lorsque le four fonctionne en régime établi ; en effet, il traite un produit de dimensions données à une vitesse constante et en correspondance d'une courbe de traitement thermique établie.
Les fours industriels connus travaillent quotidiennement des bandes d'épaisseur et de largeur différentes selon des cycles de traitement thermique également variables.
L'efficacité de l'installation et le respect des courbes de traitement thermique sont surtout fonction du temps de séjour de la bande en circulation au travers des différentes sections du four, ou du temps mis pour atteindre une température de fin de phase de chauffage ou de refroidissement. On exprime ainsi, pour chacune de ces sections de chauffage ou de refroidissement, un gradient de température par unité de temps (°C/s).
Les utilisateurs, afin d'améliorer l'efficacité de leurs installations, recherchent des solutions qui diminuent le temps de séjour durant les phases de chauffage et/ou de refroidissement.
A l'heure actuelle, les dispositifs de refroidissement connus permettant de réaliser un échange thermique avec la bande en circulation, consistent essentiellement en quatre technologies :
  • une première utilise un échange thermique radiatif entre la bande et des tubes radiants refroidis par de l'air, le gradient thermique de la bande est très faible et en tout cas inférieur à 20 °C/s.
  • une seconde utilise un échange thermique conductif entre des rouleaux et la bande, particulièrement à base de rouleaux au sein desquels circule de l'eau ; l'échange thermique entre les rouleaux et la bande en circulation s'effectue par contact, ce qui provoque des hétérogénéités du profil de température, qui se concrétisent par la présence de plis à la surface de la bande ;
  • une troisième utilise un échange thermique convectif par projection d'un brouillard d'eau sur la bande ou par immersion dans un bac à eau ; l'inconvénient majeur de cette solution réside dans le fait qu'elle favorise l'oxydation de la bande, ce qui nécessite l'emploi, pour ôter cette pellicule d'oxydation, d'une unité de décapage en bout de ligne, se répercutant d'autant sur le coût global de l'installation.
  • une quatrième utilise un échange thermique convectif par soufflage d'un gaz protecteur recirculé, au préalable refroidi dans un échangeur. Le gradient thermique de la bande n'atteint que difficilement 70 °C/s.
La présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un procédé qui n'oxyde pas les tôles en circulation, et qui garantit une bonne planéité, un parfait état de surface, tout en permettant d'obtenir des gradients nettement supérieurs à ceux des techniques antérieures présentant ces avantages, notamment de l'ordre de 100 °C/s.
A cet effet, l'invention concerne un procédé et un dispositif ayant les caractéristiques indiquées dans les revendications 1 et 3.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
  • la figure 1 est une vue plane en coupe d'un four mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention ;
  • la figure 2 est une courbe illustrant une comparaison entre un cycle thermique réalisé selon un procédé de l'art antérieur et le procédé objet de l'invention, appliqué au refroidissement.
Selon un mode préféré de mise en oeuvre de ce procédé, la bande à traiter chemine à l'intérieur d'un four vertical ou horizontal fonctionnant en continu.
Ce four est généralement composé de sections de chauffage 1, de maintien 2 et de refroidissement 3. Leur nombre et leur disposition sont très divers ; il peut coexister entre les diverses sections de refroidissement, des sections de maintien 2, 4 pour l'établissement correct des transformations cristallographiques.
La bande circule donc au travers des différentes sections du four, dans le cadre d'un four vertical, elle est guidée par une pluralité de rouleaux fixes 6, 6', 6", 7, 7', 7" entraínés en rotation, situés aux extrémités supérieures et inférieures des volumes ou chambres conformant les enceintes de traitement.
La bande s'étire en boucle ou en brins entre deux rouleaux haut 6 et bas 7 de renvoi. On dispose entre les brins de la bande ou en regard des parois extérieures les moyens de chauffage conventionnels ou à induction ou bien des organes de refroidissement.
Les moyens de chauffage conventionnels sont principalement constitués d'éléments chauffants, de forme tubulaire, à l'intérieur desquels on entretient la combustion d'un combustible liquide ou gazeux. Ces éléments appelés tubes radiants sont placés entre les brins de la bande et face aux parois frontales du four et chauffent la bande par rayonnement. Ils assurent la majeure partie de l'apport énérgétique et ils interviennent lors de la marche en régime établi de l'installation.
Les fumées de combustion peuvent servir à réchauffer un gaz de protection recyclé au travers d'un échangeur, ce gaz est soufflé selon une direction sensiblement perpendiculaire au trajet de la bande au travers d'une pluralité d'orifices ou de fentes disposés sur les moyens de soufflage. La bande est ainsi préchauffée avant le chauffage par les tubes radiants.
On comprend aisément que toutes les enceintes sont isolées thermiquement de l'environnement 9, 10, 11, 12, 13 par un calorifugeage approprié. Chacune des enceintes est munie d'organes de centrage de l'axe de la bande dans l'axe de la ligne ; ils sont constitués par des rouleaux similaires 8, 8' aux rouleaux de guidage et sont montés mobiles à l'intérieur de supports afin d'ajuster la longueur développée entre deux points fixe 6', 7' de guidage ; ils peuvent si besoin se substituer aux rouleaux de guidage et sont présents dans les sections de préchauffage (0) ou de chauffage 1, de maintien 2, 4 en température et de refroidissement 3, 5.
Les moyens de refroidissement sont réalisés par des dispositifs de soufflage de gaz de protection recyclé et refroidi dans des échangeurs extérieurs à l'installation. Ce soufflage, de vitesse variable en fonction des besoins d'échange thermique, s'effectue selon une direction sensiblement perpendiculaire au trajet de la bande et au travers d'une pluralité d'orifices ou de fentes disposées sur les moyens de soufflage.
Les différentes chambres sont reliées entre elles par des tunnels de liaison, le tout étant éventuellement maintenu sous une atmosphère protectrice neutre ou réductrice, constituée notamment d'un mélange de gaz choisi parmi l'hydrogène et l'azote.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, on utilise un mélange de gaz à base d'hydrogène ou d'hélium dont la composition dépasse les valeurs communément employées (de l'ordre de 5 % pour 95 % d'azote). Ainsi, le procédé selon l'invention met en oeuvre une atmosphère d'hydrogène ou d'hélium dont la teneur dépasse 5 % et plus particulièrement 15 % pour atteindre par exemple 50 % en hydrogène ou en hélium. En fait, on utilise les chambres de chauffage et/ou de refroidissement dans une atmosphère, dont les caractéristiques des teneurs en hydrogène ou en hélium sont supérieures aux valeurs de limite d'explosivité de ces gaz. Le descriptif s'applique aussi à l'hélium en lieu et place ou en supplément de l'hydrogène.
Le mode de cheminement est le suivant : La bande pénètre dans une première enceinte de chauffage 1 qui comprend des sources de chauffage traditionnelles. Cette enceinte de chauffage peut être précédée d'une enceinte de préchauffage 0.
Dans ces portions, la bande subit une élévation de température jusqu'à la température voulue correspondant au traitement thermique désiré, puis elle passe dans une chambre de maintien 2 dans laquelle l'apport énergétique est maintenu constant pour l'établissement des transformations cristallographiques. Sa température est abaissée par les moyens explicités précédemment dans une enceinte dite de refroidissement 3, la température décroít rapidement, l'évolution des transformations cristallographiques est stoppée.
Elle traverse, ensuite, une chambre destinée au vieillissement appelé communément "overaging" 4, cette chambre est conçue de manière similaire à l'enceinte de maintien et elle se situe entre deux chambres de refroidissement.
Le dernier refroidissement 5 est généralement réalisé, soit comme le précédent par un échange gaz-solide, soit par un échange liquide-solide, beaucoup plus efficace ; on procède par aspersion de liquide sur la bande en défilement.
Le produit fini est enroulé ou débité en sortie de l'installation, après avoir subi éventuellement d'autres traitements.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, l'installation mettant en oeuvre ce procédé, comporte une pluralité de dispositifs d'isolement 14, notamment disposés au sein des différents tunnels de liaison, en amont et/ou en aval, prévus entre les diverses sections de chauffage, de maintien, de refroidissement, constituant le four, permettant lorsque ces dispositifs d'isolement 14 sont actionnés, de séparer sensiblement hermétiquement des sections contigues et particulièrement au niveau de leur atmosphère respective.
Ces dispositifs d'isolement 14 sont constitués par au moins un ou plusieurs ensembles de deux rouleaux situés de part et d'autre de la bande, ou par un ou plusieurs ensembles de rouleaux et de volets.
On peut ainsi, grâce à ces dispositifs d'isolement 14, faire varier dans le sens d'une augmentation ou d'une diminution autour d'une valeur connue, la composition du mélange constituant l'atmosphère protectrice dans une chambre par rapport à une chambre contiguë séparée par ledit dispositif d'isolement.
Le procédé objet de l'invention utilise comme mélange de gaz protecteur de l'azote avec un pourcentage d'hydrogène ou d'hélium. L'emploi de l'un de ces derniers gaz permet d'augmenter l'efficacité des organes de chauffage ou de refroidissement ; on peut ainsi agir sur le temps de séjour de la bande au travers de ladite section de refroidissement 3 ou de préchauffage 0, en vue d'augmenter la valeur du gradient (°C/s) supérieur à celui connu dans les techniques actuelles.
Ainsi, selon un premier mode d'utilisation du procédé objet de l'invention, on peut isoler et utiliser une section de refroidissement 3 convectif (le gaz d'atmosphère recirculé est soufflé sur la bande après refroidissement, notamment par un échangeur gaz/eau), et remplir cette section de gaz à fort niveau d'hydrogène ou d'hélium, car ces gaz disposent de caractéristiques thermo-mécaniques (chaleur spécifique, viscosité, masse volumique, conductibilité...) plus favorables que l'azote, ce qui permet, soit d'augmenter le coefficient d'échange, soit de diminuer le dimensionnement des ventilateurs, soit les deux.
On atteint ainsi un gradient de température compris jusqu'à des valeurs de 75 °C/s à 150 °C/s et préférentiellement voisines de 100 °C/s au lieu de 70 °C/s avec les techniques actuelles.
Ainsi, selon un deuxième mode d'utilisation du procédé objet de l'invention, on peut isoler et utiliser une section de préchauffage 0 convectif (le gaz d'atmosphère recirculé est soufflé sur la bande après réchauffage, notamment par un échangeur gaz/fumées), et remplir cette section de gaz à fort niveau d'hydrogène ou d'hélium, car ces gaz disposent de caractéristiques thermo-mécaniques (chaleur spécifique, viscosité, masse volumique, conductibilité...) plus favorables que l'azote, ce qui permet, soit d'augmenter le coefficient d'échange, soit de diminuer le dimensionnement des ventilateurs, soit les deux.
Quel que soit le mode d'utilisation du procédé, on atteint ainsi des temps de séjour de la bande au travers du four qui sont nettement inférieurs aux valeurs de l'art antérieur.
Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus.

Claims (4)

  1. Procédé de traitement thermique de bande métallique en continu, cette dernière cheminant au travers d'un four, isolé thermiquement et dans une atmosphère protectrice constituée d'un mélange de gaz ayant une teneur en hydrogène; ledit four étant constitué d'au moins une section, de chauffage (1), éventuellement précédée d'une section de préchauffage (0), de maintien (2), de refroidissement (3), éventuellement une section de vieillissement (4) et éventuellement une section de refroidissement final ; ladite bande étant guidée par une pluralité de rouleaux (6, 6', 6", 7, 7', 7") disposés notamment en partie inférieure et en partie supérieure desdites sections, afin de conformer une pluralité de brins, caractérisé en ce que la teneur de l'atmosphère protectrice en hydrogène ou en hélium excède 5% et plus particulièrement 15%, en ce que la bande passe au travers d'au moins un dispositif (14), placé en amont et éventuellement en aval de la section de refroidissement (3), isolant cette dernière des sections amont et aval en cas d'existence de cette dernière, afin d'assurer des propriétés de transfert thermique différentes sur la bande par rapport à au moins une autre section contiguë, comportant une atmosphère différente, en agissant sur la composition, notamment en augmentant la teneur en hydrogène ou en hélium, de l'atmosphère de la section de refroidissement où la bande métallique est refroidie par soufflage de gaz protecteur, pour permettre la différenciation des propriétés thermo-mécaniques de l'atmosphère, permettant ainsi d'agir sur le temps de séjour de la bande au travers de ladite section de refroidissement, en vue d'augmenter la valeur du gradient °C/s.
  2. Procédé de traitement thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un mélange de gaz dont la teneur en hydrogène ou en hélium est voisine de 50 %.
  3. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, en vue du traitement thermique en continu d'une bande en circulation qui comporte :
    au moins une section de chauffage (1), éventuellement précédée d'une section de préchauffage (0),
    éventuellement une section de maintien (2) en température,
    au moins une section de refroidissement (3) comportant des moyens de soufflage de gaz protecteur sur le produit à traiter,
    éventuellement une section de vieillissement (4),
    éventuellement une section de refroidissement final 5,
    toutes ces sections sont munies, dans leurs parties supérieures et inférieures, d'une pluralité de rouleaux de renvoi (6, 6', 6", 7, 7', 7") ou de centrage (8, 8', 8") pour le guidage de la bande, lesdites sections étant reliées entre elles par des tunnels de liaison, caractérisée en ce que les tunnels reliant les sections de refroidissement (3) sont munis de dispositifs d'isolement (14), positionnés de part et d'autre de la bande, rendant étanche les sections de refroidissement (3) vis-à-vis des sections contiguës.
  4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que les dispositifs d'isolement (14) sont constitués par au moins un ou plusieurs ensembles de deux rouleaux situés de part et d'autre de la bande, ou par un ou plusieurs ensembles de rouleaux et de volets.
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