EP1457581A1 - Contrôle de l'épaisseur d'une couche liquide à la surface d'un objet allongé émergeant d'un bain - Google Patents

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Publication number
EP1457581A1
EP1457581A1 EP04447055A EP04447055A EP1457581A1 EP 1457581 A1 EP1457581 A1 EP 1457581A1 EP 04447055 A EP04447055 A EP 04447055A EP 04447055 A EP04447055 A EP 04447055A EP 1457581 A1 EP1457581 A1 EP 1457581A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid
strip
blades
bath
thickness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04447055A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Klinkenberg
Stéphane Winand
Jean Crahay
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Original Assignee
Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL filed Critical Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Publication of EP1457581A1 publication Critical patent/EP1457581A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/14—Removing excess of molten coatings; Controlling or regulating the coating thickness
    • C23C2/16—Removing excess of molten coatings; Controlling or regulating the coating thickness using fluids under pressure, e.g. air knives
    • C23C2/18—Removing excess of molten coatings from elongated material
    • C23C2/20—Strips; Plates

Definitions

  • the present invention relates to a method of controlling the thickness of a liquid layer to the surface of an elongated object emerging from a bath.
  • the process relates more particularly to a product long (flat) or flat (strip) metallurgical continuous in the bath.
  • Examples of areas of application of the invention relate to spinning in the dip coating process, preferably the galvanizing or in the cooling process accelerated in continuous annealing.
  • the invention also relates to a installation for implementing the process.
  • coating soaking is a method that is both simple and effective in depositing a coating on the surface of a object.
  • the object to be coated is immersed in a bath comprising the product that we want to deposit on said object.
  • the object is then extracted from the bath with removal of excess liquid and coating is returned solid, for example by drying, solidification, polymerization, etc.
  • the spin must be uniform over the entire "section", that is to say the width for a strip and the circumference for a wire, and over the entire length of the product to be coated.
  • this operation must strictly limit the deposit to the target value, which is usually expressed either in terms of deposited thickness - typically 3 to 20 ⁇ m - or in weight of the layer deposited per unit of surface-typically in gr / m 2 .
  • the spin was first carried out by mechanical means by pressing a scraper member against the surface of the strip emerging from the coating bath.
  • gas blades were introduced. They include gas jets respectively linear in the case of bands and circular in the case of wires. These gas jets come from of slots and are directed most often perpendicular to the surface to be treated.
  • the blades of gases act as "pneumatic scrapers” and have the advantage of operating without mechanical contact and therefore without risk of scratching the object treated. Such blades were called “gas extractors” or “spin knives”.
  • the gas blade spin is currently most common in facilities continuous dip coating.
  • the gas used is either air or a neutral gas such as nitrogen in the most delicate applications such as the treatment of steel strips for the production of parts visible for automobile bodywork.
  • Electromagnetic methods have also been developed. Like gas blades, they work without contact. However, they often give rise to a heating of the treated strip which is due to the currents which are induced there by the electromagnetic systems (M. Malmendier et al., Development of galvannealing for the domestic appliance, construction and other markets, European Coal and Steel Community Project Report, 1998; NKK Corp. EP-A-0 525 387).
  • Figure 1.a shows schematically the general device for wringing a steel strip.
  • a strip to be coated 1 emerges vertically from a liquid bath 2. It passes in front of 3 and 3 'spin slots which create gas blades 4 and 4 'respectively which are projected on both sides of the strip respectively in 5 and 5 '. Under the action of the gas blades, the thickness of liquid adherent is reduced from a first thickness 6 to a second thickness 7. For reasons of clarity of the figure, the scale of the total thicknesses of strip and entrained liquid has been intentionally exaggerated.
  • the thickness carried by the emerging strip liquid depends mainly on the nature of the bath, more particularly the viscosity of the liquid, and the belt speed.
  • Several models have been built to account for this phenomenon. If the formulation differs from one model to another, the phenomenon reported by all models is the same: liquid thickness carried by the band out of the bath increases with the belt speed (see figure 1.b).
  • the physical phenomenon that explains the spin at the "microscopic" level is the pressure gradient which exists between the point of impact of the gas jet, where the pressure is maximum, and neighboring areas, where the pressure is lower. This reduced pressure gradient strongly the thickness of the liquid adhering to the substrate. Typically, the thickness caused by the strip is the order of several hundred ⁇ m while the thickness final that the spin will leave is less than or equal to ten ⁇ m.
  • pre-spin roller (request JP-A-62 205256 from Sumimoto Métal Ltd.) or projection of a metal jet liquid coming out of the coating bath perpendicularly on the surface of the treated strip (request JP-A-63 109 150 from Kawasaki Steel Corp.).
  • these attempts have limited success, as these methods improve spinning but in some cases suffer from lack of stability. They have been tested several times by the Applicant and it has been found that the pre-spin opposes the free flow of liquid from the blades spin to the coating bath. This results in currents between the pre-spin system and the system proper spin, as well as final variations the thickness of the coating.
  • Another proposal to improve performance by reducing the risk of splashing consists to add a gas injection under the spin blades, to stabilize the flow of liquid to the bath (application JP-A-6 346211 from Nippon Steel Corp.).
  • the strips of cold rolled steel are unwound and brought to high temperature (over 700 ° C) so as to obtain recrystallization which will restore their ductility for further shaping (e.g. stamping body parts).
  • high temperature over 700 ° C
  • a high cooling speed is sometimes sought. It makes it possible to obtain a quenching effect and thereby to increase the strength properties of the sheets (by example, automotive safety parts).
  • Many manufacturers of continuous annealing lines have imagined cool the steel strips in a water bath, the temperature is controlled ("Howaq-Twice", "NKK Quench”). At get out of the bath, the strip should also be wrung out before to be dried and to undergo the end of treatment. Given that the annealing lines operate at very high speed (from 100 to 600m / min) and you want to have only one minimum water to dry, the problem of spinning arises here in the same way as in continuous coating.
  • the present invention aims to provide a spin process allowing to get rid of known drawbacks in the state of the art, in particular those linked to spinning with gas blades or various pre-spin techniques.
  • the present invention has for purpose of effectively controlling the thickness of the coating adhering to the product to be coated, in the process of dip coating.
  • a complementary object of the invention consists to deposit liquid adhering to the product at coating, which has a thickness just necessary or predetermined.
  • a first object of the present invention relates to a method for controlling the thickness of a layer liquid entrained on the surface of an elongated object, preferably a strip or wire, emerging from a bath up, preferably substantially vertically, characterized in that it comprises at the outlet of the bath a spinning operation by means of blades liquid under pressure.
  • said liquid blades are projected through a slit and directed towards the bottom, following a direction making with the surface of the object a theta angle ( ⁇ ) less than 60 ° and preferably between 25 to 45 °.
  • the thickness of the blades of liquid is greater than or equal to 0.3 times that of the liquid driven by the surface of the object in the absence of spin.
  • the invention fully delivers its advantages if the elongated object is a strip and if the speed of the liquid in the blades v lam is greater than a threshold value which is a function of the speed of the strip V strip and the respective thicknesses of liquid t drag carried by the strip when there is no spin and t lam in the spin blades.
  • the following condition is imposed for the speed of the liquid in the blades: v lam . cos (theta)> k. v strip . (1 + 3 (t drag / t lam )), where k is a so-called efficiency coefficient between 0.25 and 2.
  • the features of the invention are compatible with a layout of the liquid blades of the two sides of the strip which is symmetrical.
  • the Liquid slides can be flat, curved and concavity turned upwards, the curvature being preferably in the range of 0.01 to 0.05 meters of boom per meter wide or segmented and have a plurality of sections possibly inclined relative to horizontally.
  • the speed of the liquid in the blades is non-uniform the along the width of the strip.
  • an operation equalizing the thickness of the liquid adhering to the strip after spinning with liquid slides can be achieved by gas blades from gas injection slots operating at a pressure between 0.01 to 0.07 MPa and located above the liquid slides.
  • the entrained liquid layer on the surface of the elongated object is preferably a coating layer consisting of a molten metal deposited on a metal strip in a metallurgical process of dip coating.
  • the metal strip is consisting for example of steel, aluminum, zinc, copper or one of their alloys.
  • the thickness of the metal strip is between 0.15 and 5 mm.
  • the invention relates primarily application to a dip coating process which is a continuous process with a running speed of the band preferably between 2 and 10 m / s.
  • the invention it is possible to obtain a thickness of the metallic coating layer after spin between 3 and 20 ⁇ m.
  • the liquid layer entrained in the surface of the elongated object is a layer of water covering the surface of a metal strip at the end of a bath temperature controlled water.
  • the spinning operation at the outlet of the water bath precedes a water drying operation remaining on the strip.
  • Another object of the present invention relates to an installation for implementing the method to control the thickness of a liquid layer entrained in the surface of an elongated object, as described above.
  • Figure 1.a schematically represents a general wringing device a steel strip by gas blades, depending on the condition of the technical.
  • Figure 1.b graphically represents a modeling of evolution, according to experimental results, film thickness water entrained on one side of a steel strip emerging of a water bath, when the speed of the belt increases (continuous annealing process).
  • Figure 2.a shows schematically a device for wringing a steel strip using blades liquid according to the present invention.
  • Figure 2.b shows graphically and schematically the effect of the speed of the liquid in the blades on the spin efficiency, according to the invention.
  • FIGS.c to 2.e show schematically three different spin configurations according to the invention, noted during the tests carried out.
  • Figures 3.a to 3.d show schematically possible sections of the blade of spin according to the invention.
  • the object of the present invention is to solve the problem of controlling so effective a thickness of a first liquid adhering to a strip or wire, preferably metallic, coming out of a dip coating bath for example using a spinning purely liquid.
  • the fluid blade of a significant amount of movement of so that the latter is able to train with it the liquid adhering to the strip on leaving the bath and leave only a controlled amount of adherent liquid.
  • the spin liquid blades are directed from top to bottom, the strip emerging from the bath upwards. They form a slight angle with the strip (or the wire). In in other words, they are relatively close to the vertical direction. As shown in Figure 2.a, the angle theta ( ⁇ ) between the direction essentially vertical followed by the strip emerging from the bath and each liquid spin blades is less than 60 ° and preferably between 25 and 45 °.
  • the thickness of the liquid t lam , in the wiper blades, is at least equal to 0.3 times the thickness of liquid t drag , carried by the strip at the exit of the bath on each of its faces, when there is no spin. As explained above, this latter thickness is mainly a function of the viscosity of the coating liquid and the speed of the strip.
  • the speed of the liquid v lam in the spinning blades is greater than a threshold which is a function of the speed of the strip v strip and the thicknesses of liquid t drag carried by the strip, when there is no spin and t lam in the spin blades.
  • This threshold can be expressed by inequality: v lam. cos (theta)> k. v strip (1 + 3 (t drag / t lam )), where k is an efficiency coefficient between 0.25 and 2.
  • Figure 2.a shows a diagram of liquid spin wringing arrangement.
  • a band 1 emerges vertically from a bath 2 and is wrung out by symmetrical blades 8 and 8 'respectively, relative to the bandaged.
  • the blades make an angle ⁇ with the vertical.
  • Their action has the effect of reducing the adherent thickness of a initial value 6 to a final value 9.
  • Figure 2.b graphically shows the schematic effect of the speed of the liquid in the blades on the spin efficiency, evaluated by the ratio between the thickness at the outlet after spin, everything and that which would be entrained s there was no spin, t drag .
  • Figures 2.c, 2.d and 2.e show three different spin situations which were noted in tests.
  • the strip 1 which has just emerged from a liquid bath is spun by a strip of liquid 8. Only one side is shown in the figures, it being understood that the behavior is symmetrical on the two sides.
  • the wiper blade In the case of Figure 2.c, the wiper blade is perpendicular to the strip and has practically no effect.
  • the wiper blade In the case of Figure 2.d, the wiper blade is inclined and directed from top to bottom but the product V lam . cos ⁇ is not sufficient (see formula above) and the spin effect is weak.
  • FIG. 2.e which is the one preferentially targeted by the present application, the wiper blade is inclined, directed from top to bottom and the product V lam . cos ⁇ is high enough: the spin effect is marked.
  • the spin blade projected on each side is not necessarily flat and continuous. She can advantageously be curved and for reasons techniques consist of discontinuous segments.
  • Figures 3.a, 3.b, 3.c and 3.d show each time a particular cross section of the blade spin, in the context where a strip 1 emerges vertically of a liquid bath 2.
  • the section of the slide is shown in Figures 3.a-d by the sound profile 10 impact on the tape.
  • the spin blade is curved and continuous: we take advantage of this shape to push excess liquid to the edges, too called “shores", and from there eliminate it from the surface of the bandaged.
  • the curvature i.e. the concavity
  • the curvature is directed upwards and its value is between 0 and 0.1 meters of arrow per meter of width and preferably close to 0.05 meter of boom per meter of width.
  • the spin blade is segmented into three straight segments, two of which are located at the ends are inclined.
  • the local speed in the blade depends on the position on the width according to the same law as above.
  • the blade is divided into a series of straight and inclined segments.
  • This layout allows design sprinklers to be used classic which from a circular orifice are capable of generating an almost flat blade (catalog, Lechler GmbH, D-72544 Metzingen, Germany).
  • the local speed in the blade depends on the position across the width according to the same law as above.
  • the spin blades are of the "coherent" type, that is to say that they keep their shape and their momentum density and therefore their spin efficiency, even after leaving the slots by which they are projected. This consistency is given in a known manner by the shape of the slots.
  • the liquid slides are advantageously same composition as the bath whose strip (wire) emerges.
  • the liquid that will form the blades is sucked into the bath by pumps and then sent under pressure towards the slots from where the blades will be projected.
  • a gas injection slit directed towards the strip may be provided above the impact lines of the liquid slides. It will preferably work at a pressure of the order of 0.01 to 0.07 MPa. She permits equalize the adhesive thickness after liquid spinning and thus contributes to a very high homogeneity in particular when the liquid slide is segmented.
  • a gas blanket can be created at approximately blades by gas injection and use of a screen to keep this atmosphere close to the blades. This provision is particularly interesting in the case an oxidizable liquid in the air, such as zinc liquid used for coatings.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle de l'épaisseur (6, 9) d'une couche liquide entraînée à la surface d'un objet allongé (1), de préférence une bande ou un fil métallique, émergeant d'un bain (2) vers le haut, caractérisé en ce qu'il comprend à la sortie du bain une opération d'essorage au moyen de lames de liquide sous pression (8, 8'). L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé. <IMAGE>

Description

Objet de l'invention
La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle de l'épaisseur d'une couche liquide à la surface d'un objet allongé émergeant d'un bain. Le procédé concerne plus particulièrement un produit métallurgique long (fil) ou plat (bande) en défilement continu dans le bain. Des exemples de domaines d'application de l'invention se rapportent à l'essorage dans le procédé de revêtement au trempé, de préférence la galvanisation ou encore dans le procédé de refroidissement accéléré en recuit continu.
L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé.
Arrière-plan technologique et état de la technique Le revêtement au trempé
On connaít la technique dite de "revêtement au trempé", qui constitue une méthode à la fois simple et efficace pour déposer un revêtement à la surface d'un objet. Selon cette technique, après une éventuelle préparation de la surface, on immerge l'objet à revêtir dans un bain comprenant le produit que l'on veut déposer sur ledit objet. L'objet est ensuite extrait du bain avec enlèvement de l'excès de liquide et le revêtement est rendu solide, par exemple par séchage, solidification, polymérisation, etc.
L'une des applications les plus répandues de cette technique est le revêtement de pièces en acier au moyen d'un métal qui lui servira ensuite de protection contre la corrosion.
Lorsque l'objet métallique à revêtir est un objet allongé, comme un fil ou une bande continue, que nous désignerons ci-après simplement par le terme "objet", le revêtement au trempé s'opère comme suit :
  • l'objet a revêtir est passé dans un four à haute température (typiquement de 500 à 900°C pour une bande d'acier) et sous une atmosphère contrôlée de façon à aviver sa surface ;
  • l'objet est ensuite immergé dans le bain de revêtement qui est en général à base de zinc, d'aluminium ou d'un de leurs alliages ;
  • après être passé sous un rouleau de fond, l'objet ressort du bain, une couche de métal liquide adhérant à sa surface ;
  • l'épaisseur de cette couche de métal liquide est alors contrôlée dans l'opération dite "d'essorage" qui va limiter l'épaisseur du dépôt à la valeur qui est visée ;
  • enfin, l'objet revêtu est refroidi, ce qui a pour effet de permettre la solidification du revêtement.
L'opération d'essorage
Cette opération est l'une des plus importantes dans le procédé de revêtement au trempé. D'une part, l'essorage doit être homogène sur toute la "section", c'est-à-dire la largeur pour une bande et la circonférence pour un fil, et sur toute la longueur du produit à revêtir. En même temps, cette opération doit limiter strictement le dépôt à la valeur visée, que l'on exprime d'habitude soit en terme d'épaisseur déposée - typiquement de 3 à 20 µm -, soit en poids de la couche déposée par unité de surface-typiquement en gr/m2.
On cherche sans cesse à améliorer les performances de l'essorage, pour répondre à de nouvelles exigences techniques qui sont essentiellement :
  • être capable d'atteindre des épaisseurs de plus en plus faibles pour limiter les coûts de revient liés au produit de revêtement, ainsi que les coûts de recyclage ;
  • essorer à des vitesses toujours supérieures ; dans nombre de lignes de revêtement au trempé, l'opération d'essorage constitue le principal obstacle à une augmentation de vitesse et donc de capacité.
Les techniques d'essorage ont donc beaucoup évolué pour tenter de remplir des spécifications toujours plus pointues (voir par exemple, M. Dubois, Présent and future of hot-dip galvanization process, Galvatech' 2001, p.451-460).
L'essorage a tout d'abord été effectué par des moyens mécaniques en pressant un membre racleur contre la surface de la bande émergeant du bain de revêtement.
Ensuite, des lames de gaz ont été introduites. Elles comprennent des jets de gaz respectivement linéaires dans le cas des bandes et circulaires dans le cas de fils. Ces jets de gaz sont issus de fentes et sont dirigés le plus souvent perpendiculairement à la surface à traiter. Les lames de gaz agissent comme des "racleurs pneumatiques" et présentent l'avantage de fonctionner sans contact mécanique et donc sans risque de griffer l'objet traité. De telles lames ont été appelées "essoreurs à gaz" ou encore "couteaux d'essorage". L'essorage à lames de gaz est actuellement le plus répandu dans les installations continues de revêtement au trempé. Le gaz mis en oeuvre est soit de l'air, soit un gaz neutre tel que l'azote dans les applications les plus délicates comme le traitement des bandes d'acier destinées à la fabrication de pièces visibles pour la carrosserie d'automobiles.
Des méthodes électromagnétiques ont également été développées. Comme les lames de gaz, elle fonctionnent sans contact. Toutefois, elles donnent souvent lieu à un échauffement de la bande traitée qui est dû aux courants qui y sont induits par les systèmes électromagnétiques (M. Malmendier et al., Development of galvannealing for the domestic appliance, construction and other markets, European Coal and Steel Community Project Report, 1998 ; EP-A-0 525 387 de NKK Corp.).
La figure 1.a montre schématiquement le dispositif général d'essorage d'une bande d'acier. Une bande à revêtir 1 émerge verticalement d'un bain de liquide 2. Elle passe en face de fentes d'essorage 3 et 3' qui créent respectivement des lames de gaz 4 et 4' qui sont projetées des deux côtés de la bande respectivement en 5 et 5'. Sous l'action des lames de gaz, l'épaisseur de liquide adhérent est réduite d'une première épaisseur 6 à une deuxième épaisseur 7. Pour des raisons de clarté de la figure, l'échelle des épaisseurs totales de bande et de liquide entraíné a été volontairement exagérée.
L'essorage par lame de gaz, largement utilisé, a également été analysé en profondeur dans plusieurs études (J.A. Thornton and H.F. Graff, An analytical description of the jet finishing process for hot-dip metallic coatings on strips, Metal. Trans. B, Vol. 7B(1976), p. 607-618 ; Y. Takeishi et al., Gas wiping mechanism in hot-dip coating process, 1995 (en japonais) ; M. Dubois et al., The gas-jet wiping limit: the splashing phenomenon, Galvatech' 95 Conf. Proc., p.667-673).
De manière synthétique, ces travaux permettent de faire les constatations suivantes.
L'épaisseur emportée par la bande émergeant du liquide dépend essentiellement de la nature du bain, plus particulièrement de la viscosité du liquide, et de la vitesse de la bande. Plusieurs modèles ont été construits pour rendre compte de ce phénomène. Si la formulation diffère d'un modèle a l'autre, le phénomène rapporté par tous les modèles est le même : l'épaisseur de liquide portée par la bande au sortir du bain augmente avec la vitesse de la bande (voir figure 1.b).
Le phénomène physique qui explique l'essorage au niveau "microscopique" est le gradient de pression qui existe entre le point d'impact du jet de gaz, où la pression est maximale, et les zones voisines, où la pression est plus faible. Ce gradient de pression réduit fortement l'épaisseur du liquide adhérant au substrat. Typiquement, l'épaisseur entraínée par la bande est de l'ordre de plusieurs centaines de µm alors que l'épaisseur finale que l'essorage va laisser est inférieure ou égale à une dizaine de µm.
L'efficacité des essoreurs à gaz est fonction d'une part des paramètres de la lame de gaz (pression et forme qui vont conditionner le gradient de pression au point d'impact) et d'autre part de la distance entre les fentes d'essorage et la bande à traiter : plus cette distance est réduite et plus l'essorage est efficace. Typiquement, cette distance est d'environ 10mm dans les lignes industrielles. La dépendance de l'épaisseur finale de recouvrement vis-à-vis de la distance est très marquée :
  • en première estimation, on peut considérer que l'épaisseur restant après essorage est inversement proportionnelle à la distance fentes - bande. Cette dépendance a comme conséquence que l'homogénéité en épaisseur du revêtement ne peut être réalisée que si la distance entre les fentes d'essorage et la bande reste stable. Pour réaliser cette condition, plusieurs techniques ont été envisagées :
  • rouleaux de stabilisation, coussins de gaz situés en dessous ou au-dessus des essoreurs (demandes de brevet japonaises JP-A-2002 275614 de NKK Corp. et JP-A-63 128160 de Sumimoto Métal Corp.), systèmes magnétiques ou électromagnétiques (demande japonaise JP-A-6 108220 de Nisshin Steel Corp.). Des jets de bain liquide situés sous la surface du bain ou au sortir du bain de revêtement ont également été proposés (demandes japonaises JP-A-3 031464 de Kawasaki Steel Corp. et JP-A-6 212380 de Nippon Steel Corp. -"Zn Flow").
    • Enfin, une limite importante à l'essorage est le phénomène d'éclaboussure (splashing) : celui-ci risque de s'installer lorsqu'on augmente l'efficacité de l'essorage et il se manifeste par un décollement d'une partie du liquide qui éclabousse le matériel d'essorage et perturbe gravement les opérations (M.Dubois, The gas-jet wiping limit; the splashing phenomenon, ibid.).
    Étant donné la demande pour un essorage de plus en plus efficace, suite entre autres à l'accélération des lignes de revêtement au trempé, des essais ont été effectués de manière à réaliser un pré-essorage qui enlève une partie du liquide attaché à la surface avant l'essorage par lames de gaz qui n'aurait plus alors qu'à réaliser une différence moins grande entre les épaisseurs avant et après essorage. Cette opération de pré-essorage a été tentée par différentes techniques : frein magnétique ou électromagnétique (demandes japonaises JP-A-2 254147 de Sumimoto Metal Inc. et JP-A-5 331610 de Nippon Steel Corp.), rouleau de pré-essorage (demande JP-A-62 205256 de Sumimoto Métal Ltd.) ou projection d'un jet de métal liquide au sortir du bain de revêtement perpendiculairement à la surface de la bande traitée (demande JP-A-63 109150 de Kawasaki Steel Corp.). Ces tentatives ont cependant obtenu un succès limité, dans la mesure où ces méthodes améliorent l'essorage mais souffrent dans certains cas de manque de stabilité. Elles ont été testées à plusieurs reprises par la Demanderesse et on a constaté que le pré-essorage s'oppose au ruissellement libre du liquide venant des lames d'essorage vers le bain de revêtement. Il en résulte des courants entre le système de pré-essorage et le système d'essorage proprement dit, ainsi que des variations finales significatives de l'épaisseur du revêtement.
    Une autre proposition pour améliorer les performances en réduisant le risque d'éclaboussure consiste à ajouter une injection de gaz sous les lames d'essorage, pour stabiliser le ruissellement du liquide vers le bain (demande JP-A-6 346211 de Nippon Steel Corp.).
    L'essorage dans le refroidissement accéléré en recuit continu
    Dans le procédé de recuit continu, les bandes d'acier qui viennent d'être laminées à froid sont déroulées et portées à haute température (plus de 700°C) de façon à obtenir la recristalisation qui restaurera leur ductilité pour la mise à forme ultérieure (par exemple, emboutissage de pièces de carrosserie). Lors de ce recuit continu et après le passage dans le four à haute température, une vitesse de refroidissement élevée est parfois recherchée. Elle permet en effet d'obtenir un effet de trempe et par là d'augmenter les propriétés de résistance des tôles (par exemple, pièces de sécurité des automobiles). Plusieurs constructeurs de lignes de recuit continu ont imaginé de refroidir les bandes d'acier dans un bain d'eau dont la température est contrôlée ("Howaq-Twice", "NKK Quench"). Au sortir du bain, la bande doit également être essorée avant d'être séchée et de subir la fin du traitement. Étant donné que les lignes de recuit fonctionnent à très grande vitesse (de 100 à 600m/min) et que l'on souhaite n'avoir qu'un minimum d'eau à sécher, le problème de l'essorage se pose ici de la même manière qu'en revêtement continu.
    Buts de l'invention
    La présente invention vise à fournir un procédé d'essorage permettant de s'affranchir des inconvénients connus dans l'état de la technique, notamment ceux qui sont liés à l'essorage par lames de gaz ou encore aux diverses techniques de pré-essorage.
    En particulier, la présente invention a pour but de contrôler efficacement l'épaisseur du liquide de revêtement adhérant au produit à revêtir, dans le procédé de revêtement au trempé.
    Un but complémentaire de l'invention consiste à réaliser un dépôt de liquide adhérant au produit à revêtir, qui ait une épaisseur juste nécessaire ou prédéterminée.
    Principaux éléments caractéristiques de l'invention
    Un premier objet de la présente invention concerne un procédé de contrôle de l'épaisseur d'une couche liquide entraínée à la surface d'un objet allongé, de préférence une bande ou un fil métallique, émergeant d'un bain vers le haut, de préférence sensiblement verticalement, caractérisé en ce qu'il comprend à la sortie du bain une opération d'essorage au moyen de lames de liquide sous pression.
    Selon l'invention, lesdites lames de liquide sont projetées au travers d'une fente et dirigées vers le bas, suivant une direction faisant avec la surface de l'objet un angle thêta () inférieur à 60° et de préférence compris entre 25 à 45°.
    Avantageusement, l'épaisseur des lames de liquide est supérieure ou égale à 0,3 fois celle du liquide entraíné par la surface de l'objet en l'absence d'essorage.
    L'invention livre pleinement ses avantages si l'objet allongé est une bande et si la vitesse du liquide dans les lames vlam est supérieure à une valeur seuil qui est fonction de la vitesse de la bande Vstrip et des épaisseurs respectives de liquide tdrag emporté par la bande lorsqu'il n'y a pas d'essorage et tlam dans les lames d'essorage.
    De manière préférentielle, on impose la condition suivante pour la vitesse du liquide dans les lames : vlam. cos (thêta) > k. vstrip. (1 + 3 (tdrag/tlam)), où k est un coefficient dit d'efficacité compris entre 0,25 et 2.
    Les caractéristiques de l'invention sont compatibles avec une disposition des lames de liquide des deux côtés de la bande qui soit symétrique.
    Selon le mode de réalisation adopté, les lames de liquide peuvent être planes, incurvées et de concavité tournée vers le haut, la courbure étant de préférence de l'ordre de 0,01 à 0,05 mètre de flèche par mètre de largeur ou encore segmentées et présentent une pluralité de sections éventuellement inclinées par rapport à l'horizontale.
    Encore selon un mode de réalisation préféré, la vitesse du liquide dans les lames est non-uniforme le long de la largeur de la bande.
    Avantageusement, la vitesse est plus élevée sur les bords de la bande qu'au centre de celle-ci et est distribuée selon une loi de type : vlam, x = vo + k1.x + k2.x2, vlam,x étant la vitesse du liquide dans la lame à une distance x de l'axe médian de la bande, vo la vitesse du liquide dans la lame dans l'axe médian de la bande, et k1 et k2 des coefficients de proportionnalité liés à la construction particulière de la fente à travers laquelle la lame est projetée.
    On choisira avantageusement encore des lames d'essorage de type hydraulique "cohérent", c'est-à-dire qu'elles gardent leur densité de quantité de mouvement même après avoir quitté les fentes.
    Par ailleurs, l'homme de métier comprendra aisément l'intérêt d'utiliser un liquide des lames d'essorage de même composition que celui du bain dont émerge la bande, ledit liquide étant par exemple prélevé dans le bain et projeté sur la bande au moyen de pompes.
    Toujours selon l'invention, une opération d'égalisation de l'épaisseur du liquide adhérant à la bande après essorage par lames liquides peut être réalisé par des lames de gaz issues de fentes d'injection de gaz fonctionnant à une pression comprise entre 0,01 à 0,07 MPa et situées au-dessus des lames de liquide.
    De manière complémentaire et avantageuse, une injection de gaz créant un environnement protecteur est effectuée près des lames liquides d'essorage.
    Dans la pratique, la couche liquide entraínée à la surface de l'objet allongé est de préférence une couche de revêtement constituée d'un métal fondu déposé sur une bande métallique dans un procédé métallurgique de revêtement au trempé. Dans ce cas, la bande métallique est constituée par exemple d'acier, d'aluminium, de zinc, de cuivre ou de l'un de leurs alliages. Avantageusement, l'épaisseur de la bande métallique est comprise entre 0,15 et 5 mm. Dans ce genre de procédé, il est habituel d'utiliser en guise de métal fondu de revêtement du zinc, de l'aluminium, de l'étain ou un alliage d'au moins deux de ces métaux.
    L'invention concerne au premier chef l'application à un procédé de revêtement au trempé qui est un procédé continu avec une vitesse de défilement de la bande comprise de préférence entre 2 et 10 m/s.
    Grâce à l'invention, on peut obtenir une épaisseur de la couche métallique de revêtement après essorage comprise entre 3 et 20 µm.
    Un autre procédé ayant trait à la métallurgie et pouvant tirer parti de l'invention est le procédé de refroidissement accéléré dans une ligne de recuit continu. Dans ce cas de figure, la couche de liquide entraínée à la surface de l'objet allongé est une couche d'eau recouvrant la surface d'une bande métallique à la sortie d'un bain d'eau de température contrôlée. On peut prévoir avantageusement ici que l'opération d'essorage à la sortie du bain d'eau précède une opération de séchage de l'eau résiduelle se trouvant sur la bande.
    Un autre objet de la présente invention concerne une installation pour la mise en oeuvre du procédé de contrôle de l'épaisseur d'une couche liquide entraínée à la surface d'un objet allongé, tel que décrit ci-dessus.
    Brève description des figures
    La figure 1.a, mentionnée ci-dessus, représente schématiquement un dispositif général d'essorage d'une bande d'acier par lames de gaz, selon l'état de la technique.
    La figure 1.b, mentionnée ci-dessus, représente graphiquement une modélisation de l'évolution, selon des résultats expérimentaux, de l'épaisseur de film d'eau entraíné sur une face d'une bande d'acier émergeant d'un bain d'eau, lorsque la vitesse de la bande augmente (procédé de recuit continu).
    La figure 2.a représente schématiquement un dispositif d'essorage d'une bande d'acier par lames de liquide, selon la présente invention.
    La figure 2.b représente graphiquement et de manière schématisée l'effet de la vitesse du liquide dans les lames sur l'efficacité de l'essorage, selon l'invention.
    Les figures 2.c à 2.e représentent schématiquement trois configurations différentes d'essorage selon l'invention, relevées au cours des tests réalisés.
    Les figures 3.a à 3.d représentent schématiquement des sections possibles de la lame d'essorage selon l'invention.
    Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention
    La présente invention a pour objet de résoudre le problème consistant à contrôler de manière efficace une épaisseur d'un premier liquide adhérant à une bande ou un fil, de préférence métallique, au sortir d'un bain de revêtement au trempé par exemple, en utilisant un essorage par voie purement liquide.
    Pour ce faire, on projette de part et d'autre de la bande (ou à la périphérie du fil) une lame d'un deuxième liquide, à grande vitesse sous une direction sensiblement proche de la direction verticale : cette lame de liquide entraíne alors une bonne partie du liquide adhérant à la bande pour ne laisser que la quantité nécessaire.
    Selon l'invention, on vise donc à doter la lame de fluide d'une quantité de mouvement importante de sorte à ce que cette dernière soit capable d'entraíner avec elle le liquide adhérant à la bande au sortir du bain et de ne laisser sur la bande qu'une quantité contrôlée de liquide adhérent.
    Tout comme lors de l'essorage par lame de gaz, on opère sans contact mécanique donc sans risque de griffer la surface de l'objet essoré. L'utilisation de liquide pour l'essorage présente en outre l'avantage intrinsèque d'avoir une densité plus élevée donc une quantité de mouvement plus importante ce qui assure un essorage plus efficace et une stabilité plus élevée.
    Direction, épaisseur et vitesse des lames de liquide d'essorage
    Selon une forme d'exécution préférée de l'invention, les lames de liquide d'essorage sont dirigées de haut en bas, la bande émergeant du bain vers le haut. Elles forment avec la bande (ou le fil) un angle faible. En d'autres termes, elles sont relativement proches de la direction verticale. Comme représenté à la figure 2.a, l'angle thêta () entre la direction essentiellement verticale suivie par la bande qui émerge du bain et chacune des lames d'essorage liquide est inférieur à 60° et de préférence situé entre 25 et 45°.
    L'épaisseur du liquide tlam,dans les lames d'essorage, est au moins égale à 0,3 fois l'épaisseur de liquide tdrag, emporté par la bande à la sortie du bain sur chacune de ses faces, lorsqu'il n'y a pas d'essorage. Comme expliqué plus haut, cette dernière épaisseur est principalement fonction de la viscosité du liquide de revêtement et de la vitesse de la bande.
    La vitesse du liquide vlam dans les lames d'essorage est supérieure à un seuil qui est fonction de la vitesse de la bande vstrip et des épaisseurs de liquide tdrag emportées par la bande, lorsqu'il n'y a pas d'essorage et tlam dans les lames d'essorage. Ce seuil peut être exprimé par l'inégalité : vlam. cos (thêta) > k . vstrip (1 + 3 (tdrag / tlam)), où k est un coefficient d'efficacité compris entre 0,25 et 2.
    Ces caractéristiques sont illustrées par les figures 2.a à 2.e.
    La figure 2.a présente un schéma de disposition d'essorage par lames de liquide. Une bande 1 émerge verticalement d'un bain 2 et est essorée par des lames symétriques 8 et 8' respectivement, par rapport à la bande. Les lames font un angle  avec la verticale. Leur action a pour effet de réduire l'épaisseur adhérente d'une valeur initiale 6 à une valeur finale 9.
    La figure 2.b représente graphiquement l'effet schématique de la vitesse du liquide dans les lames sur l'efficacité de l'essorage, évaluée par le rapport entre l'épaisseur en sortie après essorage, tout et de celle qui serait entraínée s'il n'y avait pas d'essorage, tdrag.
    Les figures 2.c, 2.d et 2.e présentent trois situations d'essorage différentes qui ont été relevées dans des tests. Dans les trois cas, la bande 1 qui vient d'émerger d'un bain dé liquide est essorée par une lame de liquide 8. Seule une face est représentée sur les figures, étant entendu que le comportement est symétrique sur les deux faces. Dans le cas de la figure 2.c, la lame d'essorage est perpendiculaire à la bande et n'a pratiquement pas d'effet. Dans le cas de la figure 2.d, la lame d'essorage est inclinée et dirigée de haut en bas mais le produit Vlam . cos  n'est pas suffisant (voir formule ci-dessus) et l'effet d'essorage est faible. Dans le cas de la figure 2.e, qui est celui visé préférentiellement par la présente demande, la lame d'essorage est inclinée, dirigée de haut en bas et le produit Vlam . cos  est suffisamment élevé : l'effet d'essorage est marqué.
    Forme de la lame d'essorage, distribution des vitesses
    La lame d'essorage projetée sur chaque face n'est pas nécessairement plane et continue. Elle peut avantageusement être incurvée et pour des raisons techniques être constituée de segments discontinus.
    Les figures 3.a, 3.b, 3.c et 3.d présentent chaque fois une section transverse particulière de la lame d'essorage, dans le contexte où une bande 1 émerge verticalement d'un bain liquide 2. La section de la lame est représentée sur les figures 3.a-d par le profil de son impact 10 sur la bande. On suppose toujours qu'il y a symétrie entre les faces et que l'autre lame a la même section
    Sur la figure 3.a, la lame d'essorage est plane.
    Sur la figure 3.b, la lame d'essorage est incurvée et continue : on profite de cette forme pour repousser l'excès de liquide vers les bords, également appelés "rives", et de là l'éliminer de la surface de la bande. La courbure (c'est-à-dire la concavité) est dirigée vers le haut et sa valeur est comprise entre 0 et 0,1 mètre de flèche par mètre de largeur et de préférence proche de 0,05 mètre de flèche par mètre de largeur.
    Dans le cas d'une surface de lame courbe, la vitesse n'est pas distribuée de manière homogène mais est plus élevée sur les bords de la bande que dans l'axe médian. Une formulation approchée de la distribution des vitesses est donnée par : vlam,x = vo + k1.x + k2.x2, où :
    • vlam,x est la vitesse du liquide dans la lame à la distance x de l'axe médian,
    • vo est sa vitesse dans l'axe médian,
    • k1 et k2 sont des coefficients liés à la construction particulière de la fente à travers laquelle la lame est projetée ; k1 et k2 sont tels que, en chaque point x, la vitesse vlam, x obéit à la relation de valeur minimale décrite plus haut.
    Une telle distribution de vitesse peut être réalisée de deux manières distinctes ou encore par la combinaison de ces deux techniques :
    • soit la fente par laquelle la lame est projetée a une ouverture variable. Dans ce cas, c'est principalement le coefficient k1 qui sera effectif si la largeur de fente augmente de façon linéaire de l'axe vers les rives ;
    • soit la fente est alimentée par ses deux extrémités et à travers un conduit de section réduite de manière à créer des pertes de charge qui impliqueront des vitesses supérieures aux extrémités de la lame. Dans ce cas c'est le coefficient k2 qui sera principalement effectif.
    Sur la figure 3.c, la lame d'essorage est segmentée selon trois segments rectilignes dont deux situés aux extrémités sont inclinés. Dans ce cas également, la vitesse locale dans la lame dépend de la position sur la largeur selon la même loi que ci-dessus.
    Sur la figure 3.d enfin, la lame est divisée en une série de segments droits et inclinés. Cette disposition permet d'utiliser des gicleurs de conception classique qui au départ d'un orifice circulaire sont capables de générer une lame quasi plane (catalogue, Lechler GmbH, D-72544 Metzingen, Germany). Dans ce cas également, la vitesse locale dans la lame dépend de la position sur la largeur selon la même loi que ci-dessus.
    Aspect hydrauliques
    De façon préférentielle, les lames d'essorage sont de type "cohérent", c'est-à-dire qu'elles gardent leur forme et leur densité de quantité de mouvement et donc leur efficacité d'essorage, même après avoir quitté les fentes par lesquelles elles sont projetées. Cette cohérence leur est donnée de manière connue par la forme des fentes.
    Les lames de liquides sont avantageusement de même composition que le bain dont la bande (le fil) émerge. En particulier, le liquide qui formera les lames est aspiré dans le bain par des pompes puis envoyé sous pression vers les fentes d'ou seront projetées les lames.
    Egalisation et couverture gazeuse
    Une fente d'injection de gaz dirigée vers la bande peut être prévue au-dessus des lignes d'impact des lames de liquide. Elle fonctionnera de préférence à une pression de l'ordre de 0,01 à 0,07 MPa. Elle permet d'égaliser l'épaisseur adhérente après essorage liquide et contribue ainsi à une très haute homogénéité en particulier lorsque la lame de liquide est segmentée.
    Une couverture gazeuse peut être créée aux environ des lames par injection de gaz et utilisation d'un écran pour maintenir cette atmosphère proche des lames. Cette disposition est spécialement intéressante dans le cas d'un liquide oxydable dans l'air, comme par exemple le zinc liquide utilisé pour les revêtements.

    Claims (25)

    1. Procédé de contrôle de l'épaisseur (6, 9) d'une couche liquide entraínée à la surface d'un objet allongé (1), de préférence une bande ou un fil métallique, émergeant d'un bain (2) vers le haut, de préférence sensiblement verticalement, caractérisé en ce qu'il comprend à la sortie du bain une opération d'essorage au moyen de lames de liquide sous pression (8, 8').
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites lames de liquide sont projetées au travers d'une fente (3, 3') et dirigées vers le bas, suivant une direction faisant avec la surface de l'objet un angle thêta () inférieur à 60° et de préférence compris entre 25 à 45°.
    3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur des lames de liquide (8, 8') est supérieure ou égale à 0,3 fois celle (6) du liquide entraíné par la surface de l'objet en l'absence d'essorage.
    4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'objet allongé (1) est une bande et la vitesse du liquide dans les lames vlam est supérieure à une valeur seuil qui est fonction de la vitesse de la bande vstrip et des épaisseurs respectives de liquide tdrag emporté par la bande lorsqu'il n'y a pas d'essorage et tlam dans les lames d'essorage.
    5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on impose la condition suivante pour la vitesse du liquide dans les lames : vlam · cos (thêta) > k. vstrip · (1 + 3(tdrag/tlam)), où k est un coefficient dit d'efficacité compris entre 0,25 et 2.
    6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la disposition des lames de liquide (8, 8') des deux côtés (5, 5') de la bande (1) est symétrique.
    7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les lames de liquide (10) sont planes.
    8. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les lames de liquide (10) sont incurvées et de concavité tournée vers le haut, la courbure étant de préférence de l'ordre de 0,01 à 0,05 mètre de flèche par mètre de largeur.
    9. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les lames de liquide (10) sont segmentées et présentent une pluralité de sections éventuellement inclinées par rapport à l'horizontale.
    10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la vitesse du liquide dans les lames est non-uniforme le long de la largeur de la bande.
    11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la vitesse est plus élevée sur les bords de la bande qu'au centre de celle-ci et est distribuée selon une loi de type : vlam,x = vo + k1.x + k2.x2 , vlam, x étant la vitesse du liquide dans la lame à une distance x de l'axe médian de la bande, vo la vitesse du liquide dans la lame dans l'axe médian de la bande, et k1 et k2 des coefficients de proportionnalité liés à la construction particulière de la fente à travers laquelle la lame est projetée.
    12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que les lames d'essorage sont de type hydraulique "cohérent", c'est-à-dire qu'elles gardent leur densité de quantité de mouvement même après avoir quitté les fentes.
    13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide des lames d'essorage est de même composition que celui du bain dont émerge la bande.
    14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le liquide des lames d'essorage est prélevé dans ledit bain et projeté sur la bande au moyen de pompes.
    15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une opération d'égalisation de l'épaisseur du liquide adhérant à la bande après essorage par lames liquides est réalisée par des lames de gaz issues de fentes d'injection de gaz fonctionnant à une pression comprise entre 0,01 à 0,07 MPa et situées au-dessus des lames de liquide.
    16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une injection complémentaire de gaz créant un environnement protecteur est effectuée près des lames liquides d'essorage.
    17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la couche liquide entraínée à la surface de l'objet allongé est une couche de revêtement constituée d'un métal fondu déposé sur une bande métallique dans un procédé de revêtement au trempé.
    18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que la bande métallique est constituée d'acier, d'aluminium, de zinc, de cuivre ou de l'un de leurs alliages.
    19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'épaisseur de la bande métallique est comprise entre 0,15 et 5 mm.
    20. Procédé selon l'une quelconque des revendication 17 à 19, caractérisé en ce que le métal fondu de revêtement comprend du zinc, de l'aluminium, de l'étain ou un alliage d'au moins deux de ces métaux.
    21. Procédé selon l'une quelconque des revendications 17 à 20, caractérisé en ce que le procédé de revêtement au trempé est un procédé continu avec une vitesse de défilement de la bande comprise de préférence entre 2 et 10 m/s.
    22. Procédé selon l'une quelconque des revendications 17 à 21, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche métallique de revêtement obtenue après essorage est comprise entre 3 et 20 µm.
    23. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la couche de liquide entraínée à la surface de l'objet allongé est une couche d'eau liquide recouvrant la surface d'une bande métallique à la sortie d'un bain d'eau de température contrôlée dans le cadre d'un procédé de refroidissement accéléré dans une ligne de recuit continu.
    24. Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce que l'opération d'essorage à la sortie du bain d'eau précède une opération de séchage de l'eau résiduelle se trouvant sur la bande.
    25. Installation pour la mise en oeuvre du procédé de contrôle de l'épaisseur (6, 9) d'une couche liquide entraínée à la surface d'un objet allongé (1), selon l'une quelconque des revendications 1 à 24.
    EP04447055A 2003-03-12 2004-03-05 Contrôle de l'épaisseur d'une couche liquide à la surface d'un objet allongé émergeant d'un bain Withdrawn EP1457581A1 (fr)

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