EP1728888B1

EP1728888B1 - Dispositif pour la stabilisation pneumatique d'une bande métallique en défilement continu

Info

Publication number: EP1728888B1
Application number: EP06447053A
Authority: EP
Inventors: Olivier Bregand; Jean Crahay; Arnaud Hennion
Original assignee: Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Current assignee: Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2026-04-13
Also published as: ES2312103T3; DE602006002174D1; ATE404707T1; BE1016623A4; EP1728888A1

Description

Objet de l'invention

La présente invention se rapporte à un dispositif pneumatique dissipatif permettant de stabiliser une bande métallique en défilement continu passant dans des essoreurs à l'issue d'une opération de revêtement au trempé.
L'invention concerne plus particulièrement le domaine de la galvanisation au trempé à chaud d'une bande d'acier en mouvement continu. La stabilisation pneumatique de la bande est effectuée à la sortie du bain de métal liquide, dans le voisinage du dispositif d'essorage.

Arrière-plan technologique et état de la technique

On connaît 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 tel que le zinc qui lui servira ensuite de protection contre la corrosion.
Après passage dans le bain de métal liquide, la bande revêtue subit l'opération d'essorage. Cette opération est l'une des plus importantes dans le procédé de revêtement au trempé car elle permet la maîtrise de l'épaisseur finale de revêtement. 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.
Actuellement, l'essorage est généralement réalisé au moyen de lames ou jets de gaz linéaires dans le cas des bandes et circulaires dans le cas de fils issus de fentes et 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 sont appelées "essoreurs à gaz" ou encore "couteaux d'essorage". Le gaz sous pression 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.
L'épaisseur du revêtement dépend notamment d'une part de la distance entre la bande et les couteaux d'essorage et, d'autre part, de la pression exercée par le jet de gaz comprimé sur la bande.
Or, il est connu qu'un certain nombre de caractéristiques de l'installation telles que la présence de dispositifs de refroidissement, l'excentricité de certains rouleaux, l'usure des roulements, etc., induisent des vibrations de la bande passant dans les essoreurs. Ces vibrations provoquent au final des variations d'épaisseur du revêtement qui affectent la qualité du produit et imposent une surconsommation de zinc pour garantir une épaisseur minimale de revêtement au client.
Le document JP-A-56 153136 propose de disposer au moins une paire de stabilisateurs ou amortisseurs pneumatiques à des positions telles que l'on divise la distance entre les deux rouleaux, c'est-à-dire le rouleau de fond et le rouleau supérieur, qui sont des points fixes pour la bande, en un nombre 1/(n+1), le nombre n étant un entier allant de 1 à 6 ou 0, ou encore à plusieurs positions séparées de plus d'un mètre des deux points fixes précités. La pression statique entre le stabilisateur pneumatique et la bande est maintenue entre 30 et 50 mm de colonne d'eau.
Le document JP-A-56 084452 propose d'utiliser un stabilisateur pneumatique dans lequel une partie du fluide injecté s'écoule le long de la bande en direction opposée de celui provenant des essoreurs. La collision des deux jets permet l'augmentation de la pression statique du stabilisateur ainsi que de sa surface d'application.
Le principal inconvénient de ce type de système est que le stabilisateur agit essentiellement comme un ressort en compression, qui tend à faire passer la bande par un point fixe. Il s'ensuit que le spectre de vibration de la bande, et notamment sa fréquence propre, peut être modifié sans toutefois réduire significativement l'énergie globale de vibration impliquée. On peut notamment observer un accroissement de l'amplitude des modes de vibration dont les noeuds sont situés au niveau du stabilisateur. Ce type de stabilisateur n'est ainsi pas à même d'empêcher l'apparition de phénomènes de résonance.
De plus, l'objectif étant de stabiliser la bande dans les essoreurs, il est nécessaire que ce type de stabilisateur se situe à leur voisinage, impliquant de souffler un gaz sous pression sur un revêtement non encore solidifié, ce qui risque d'affecter l'aspect du produit final.
Le document JP-A-55 110766 décrit une installation permettant de réaliser une opération d'essorage à grande vitesse tout en prévenant les vibrations de la bande et l'oxydation du métal de revêtement en utilisant une boîte d'étanchéisation qui englobe les buses d'essorage et qui fonctionne au moyen d'un coussin de fluide de pression statique à la sortie de la bande. Les buses d'essorage utilisant de l'azote sont installées en face de la bande sortant du bain de revêtement. La boîte d'étanchéisation est installée de manière à entourer les buses et la bande. Dans la partie centrale supérieure de la boîte d'étanchéisation est installée à proximité de la bande une paire de guides sans contact, libres de glissement. Le gaz d'essorage est fourni au coussin de pression statique (c'est-à-dire aux guides sans contact) via un filtre et une pompe pour empêcher la pénétration d'air et permettre à la pression statique de stabiliser la forme de la bande. Lorsque le coussin de pression statique approche de la bande, l'effet est accru, ce qui permet à la buse de s'approcher de la surface de la bande, d'augmenter la force d'essorage, éviter la détérioration du métal de revêtement fondu et augmenter le rendement de production.
Par ailleurs, on connaît également un certain nombre de méthodes de contrôle ou suppression des vibrations affectant une bande métallique en défilement continu basées sur la mise en oeuvre de moyens électromagnétiques (voir par exemple les documents JP-A-10 298728 , JP-A-5 001362 , JP-A-9 143652 , JP-A-10 87755 , JP-A-8 010847 ).
Les méthodes électromagnétiques sont basées sur le principe suivant. Des conducteurs dans lesquels circulent un courant de fréquence élevée sont installés des deux côtés de la bande d'acier. Ils induisent dans la bande des courants en opposition de phase, les courants de Foucault. L'interaction entre les courants inducteurs et les courants de Foucault induits génère une pression magnétique tendant à stabiliser la bande d'acier. Une autre solution consiste à utiliser des électroaimants. Cependant, les méthodes de ce type impliquent un contrôle supplémentaire à cause de la force d'attraction magnétique, qui tend à rendre la bande instable. Par ailleurs, il est connu que les courants de haute fréquence mis en oeuvre provoquent une élévation de température dans la bande, ce qui est contraire à ce que l'on recherche dans cette étape du procédé.

Buts de l'invention

La présente invention a pour but de proposer une solution au problème de stabilisation d'une bande métallique en défilement continu qui permette de s'affranchir des inconvénients de l'état de la technique.
En particulier, la présente invention vise à stabiliser la bande à la sortie du bain de métal liquide grâce à des moyens pneumatiques, passifs ou actifs, qui permettent de dissiper l'énergie de vibration générée dans la bande par l'installation.
De plus, l'invention a encore pour but d'éviter la mise en oeuvre de jets de gaz supplémentaires à proximité immédiate des essoreurs qui seraient susceptibles d'affecter l'aspect du produit final.
Enfin, l'invention poursuit également le but d'être compatible avec le refroidissement de la bande requis à la sortie du bain de revêtement au trempé à chaud.

Principaux éléments caractéristiques de l'invention

Un premier objet de la présente invention, énoncé dans la revendication 1, se rapporte à un dispositif dissipatif de stabilisation pneumatique d'une bande métallique en défilement continu, sous forme d'une boîte comprenant au moins deux fentes, pour le soufflage d'un gaz sous pression sur au moins un côté de la bande, qui s'étendent transversalement essentiellement sur la largeur de la bande, séparées par une certaine distance dans la direction longitudinale et essentiellement parallèles entre elles, caractérisé en ce que la boîte comprend en outre, dans l'espace situé entre deux fentes successives, une cavité fermée par une paroi arrière et des parois latérales, ouverte à l'avant, face à la bande et limitée dans la direction longitudinale au moins par lesdites fentes.
Des modalités préférées d'exécution de ce dispositif sont détaillées dans les revendications 2 à 16.
Les revendications 17 à 27 se rapportent à des procédés pour la mise en oeuvre des différentes formes d'exécution préférées du dispositif de stabilisation susmentionné, en ce compris des modalités préférées de ces différents procédés.

Brève description des figures

La figure 1 représente une vue en coupe verticale du dispositif de stabilisation pneumatique d'une bande métallique à amortissement passif selon la présente invention.
La figure 2 représente une vue en élévation correspondante du dispositif de la figure 1.
La figure 3 représente une vue en coupe verticale du dispositif de stabilisation pneumatique d'une bande métallique à amortissement actif selon la présente invention.
Les figures 4 et 5 représentent une vue en coupe de deux formes d'exécution préférées de l'invention en variante du dispositif de stabilisation pneumatique d'une bande métallique à amortissement passif représenté sur la figure 1.

Description de formes d'exécution préférées de l'invention

Pour fixer les idées, la figure 1 représente une forme d'exécution préférée du dispositif de l'invention disposé en face de la bande d'acier 1 en mouvement continu vers le haut, après passage au rouleau de fond 4 du bain de zinc liquide 2 et après essorage 3.
Le dispositif de l'invention se présente essentiellement sous la forme d'une boîte 5 comportant sur sa face avant au moins deux fentes 6 orientées vers la bande 1, par lesquelles est soufflé un gaz comprimé permettant le maintien d'une pression supérieure à la pression atmosphérique ambiante entre la face avant dudit dispositif et la bande. Entre ces deux fentes est aménagée une cavité 7 dans la boîte, ladite cavité étant soit complètement ouverte, soit partiellement obstruée du côté de la bande 1 par une grille, c'est-à-dire une plaque 8 munies d'ouvertures 8'. Cette cavité 7 a pour rôle de dissiper l'énergie de vibration de la bande essentiellement par un effet de viscosité du gaz. Le nombre et la forme des ouvertures 8' permet de moduler la dissipation d'énergie. L'objectif poursuivi par l'installation de la grille 8, 8' est de créer une perte de charge locale maîtrisée.
La largeur des fentes 6 doit être significativement plus faible que la largeur de la cavité 7 (par exemple 10 fois plus petite).
Avantageusement, les fentes 6 auront une extrémité en forme de trompette permettant d'exploiter l'effet Coanda ou effet de collage, permettant d'éjecter le fluide sur une plus grande surface de bande qu'une fente habituelle à bords nets. De plus, ce type de forme permet de réduire très fortement le gradient de pression au niveau de la bande, en face de chaque fente, où l'on observe un pic de gradient de pression très important avec les fentes habituellement utilisées. Ainsi, il est possible de placer le dispositif de l'invention au voisinage des essoreurs, où le zinc n'est pas encore solidifié.
Deux modes de réalisation encore préférés de l'invention peuvent être envisagés, différant par la nature de l'amortissement réalisé.

Amortissement passif

Pour accroître la dissipation d'énergie dans la cavité 7, cette dernière peut être équipée d'une paroi arrière mobile 9. Dans le cas de l'utilisation d'un système d'amortissement passif, la paroi 9 est reliée à un système dissipatif d'énergie 10 essentiellement composé d'un ressort et d'un amortisseur (du type dash-pot).
Avantageusement, le système d'amortissement est ajusté de manière à amortir les vibrations de la bande dans une gamme de fréquence comprise entre 1 et n fois la fréquence propre de la bande (n entier).
La fréquence propre de la bande dépend de ses dimensions, de la dimension du brin, de la tension de ligne ainsi que de la nature et la position des différents appuis sur la bande. Dans les cas les plus usuels, la première fréquence propre de la bande est comprise entre 0,5 et 1 Hz. On observe que le spectre de vibration présente des harmoniques d'amplitude significative entre cette fréquence et n fois cette fréquence (n = 2, 3, etc.), c'est-à-dire typiquement de 0,5 Hz à 5 Hz voire de 0,5 Hz à 10 Hz.

Amortissement actif

Dans le cas de l'utilisation d'un système d'amortissement actif, un dispositif de mesure du mouvement de la bande pilote un déplacement de la paroi mobile 9. Comme tout système d'amortissement actif, il est composé d'au moins un capteur 11 et un actionneur 12 piloté par un système de contrôle 13. Le déplacement, la vitesse ou l'accélération de la bande 1 sont mesurés par le (ou les) capteur(s) 11. Le signal du capteur est transmis à l'entrée du contrôleur 13. La sortie du contrôleur 13 est connectée à l'actionneur 12. Ce dernier convertit le signal de commande qu'il reçoit, de préférence selon une loi de régulation en boucle ouverte ou fermée, en une force mécanique appliquée sur la paroi mobile 9. Ainsi l'élément actif réagit à la vibration initiale en générant une force de réaction de manière à annuler ou atténuer cette vibration. La régulation est paramétrée de manière à optimiser l'amortissement au niveau de la paroi mobile 9.
Par exemple, le capteur 11 est un capteur de distance sans contact de type triangulation laser, l'actionneur 12 étant un vérin électromagnétique.

Autres formes d'exécution

Sur les figures 4 et 5, on a représenté d'autres modalités d'exécution avantageuses du dispositif de stabilisation pneumatique d'une bande métallique selon la présente invention. Ces modalités d'exécution peuvent aussi bien être utilisées dans le cadre d'un système d'amortissement passif que dans celui d'un système d'amortissement actif.
Sur la figure 4, la cavité 7 se trouvant dans la boîte 5 et les conduits d'amenée du gaz comprimé par les fentes 6 ne forment pas deux éléments distincts. Dans la cavité 7 se trouve une deuxième boîte interne (ou un sabot) 5' présentant une face avant sous forme d'une plaque 18 pleine, c'est-à-dire dépourvue d'orifices tels que les orifices 8' représentés sur les figures 1 à 3. Le sabot 5' peut se déplacer dans la direction perpendiculaire à la bande 1. Pour fixer les idées, sur la figure 4, cette boîte 5' a été connectée à l'arrière à un système dissipatif d'énergie 10 (amortissement passif). Toutefois, elle peut également être utilisée dans un système d'amortissement actif tel que décrit ci-dessus. Les conduits d'injection du gaz 6' sont formés pour partie par les parois latérales 17' de la boîte 5', ce qui permet de moduler la section de passage de ces conduits quand la boîte 5' se déplace par rapport à la bande. Dans cette forme d'exécution, en utilisation, c'est toute la boîte 5' qui est mobile et non uniquement une paroi arrière située dans la cavité 7 comme sur les figures 1 à 3.
Dans une variante représentée sur la figure 5, la boîte 5' est fixe et présente un conduit 7' la traversant de part en part en son centre et débouchant au niveau d'une ouverture 18' sur la face avant 18 de la boîte 5'. Ce conduit peut être obstrué à l'arrière par un élément tel qu'une sphère 37 solidaire du système dissipatif 10. L'augmentation de la pression de gaz comprimé dans ce conduit sous l'effet des mouvements de la bande 1 peut provoquer le décollement de l'obturateur 37 de l'extrémité arrière du conduit, ce qui permet l'injection de gaz vers la bande également au travers du conduit central 7' qui est alors relié au système d'alimentation.
Le fonctionnement de ce dispositif représenté sur la figure 4 ou 5 est le suivant. Lorsque la bande se rapproche de la face avant 18 de la boîte 5', la perte de charge entre le coussin d'amortissement et son environnement augmente. La pression dans le coussin augmente donc. L'élément 37 de la partie centrale 5' de la boîte 5 (figure 5) ou l'entièreté de celle-ci (figure 4) recule, de sorte que la section de passage nette des conduits d'alimentation en gaz comprimé augmente. En conséquence, la perte de charge entre l'environnement et le coussin diminue et le débit de gaz augmente. La pression dans le coussin augmente à son tour et repousse la bande. Un équilibre s'installe donc entre les différentes forces en présence.

Claims

Dispositif dissipatif de stabilisation pneumatique d'une bande métallique (1) en défilement continu, sous forme d'une boîte (5) comprenant au moins deux fentes (6), pour le soufflage d'un gaz sous pression sur au moins un côté de la bande (1), qui s'étendent transversalement essentiellement sur la largeur de la bande (1), séparées par une certaine distance dans la direction longitudinale et essentiellement parallèles entre elles, caractérisé en ce que la boite (5) comprend en outre, dans l'espace situé entre deux fentes successives, une cavité (7,7') fermée par une paroi arrière (27,37) et des parois latérales (17), ouverte à l'avant, face à la bande (1) et limitée dans la direction longitudinale au moins par lesdites fentes (6).
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouverture avant de la cavité (7) est obstruée par une plaque (8) munie d'orifices (8').
Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est adapté pour être disposé des deux côtés de la bande, de manière symétrique ou non par rapport à la ligne de passe de la bande.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les fentes (6) sont associées à des conduits d'injection (6') du gaz sous pression orientés essentiellement perpendiculairement à la direction de déplacement de la bande (1).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les fentes (6) sont associées à des conduits d'injection (6') du gaz sous pression orientés obliquement par rapport à la perpendiculaire à la direction de déplacement de la bande (1).
Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les conduits d'injection (6') du gaz sous pression sont orientés vers l'intérieur de la zone de la bande faisant face au dispositif.
Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'angle d'orientation des conduits d'injection par rapport à ladite perpendiculaire, non nécessairement identique pour tous lesdits conduits, est compris entre 10 et 80°, et de préférence entre 30 et 60°.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bords des fentes (6) sont évasés vers l'extérieur ou sont en forme de trompette de manière à avoir un gradient de pression à la sortie aplati par effet de collage ou effet Coanda.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la cavité (7) comprend devant sa paroi arrière (27), une plaque mobile (9) dans la direction transversale rendant variable le volume de la cavité (7) et reliée à un système d'amortissement passif (10), essentiellement modélisable sous forme d'un oscillateur harmonique amorti, la cavité (7) étant utilisable pour créer et ajuster un coussin d'amortissement des vibrations subies par la bande, situé entre la bande et le dispositif.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la cavité (7) comprend devant sa paroi arrière (27), une plaque mobile (9) dans la direction transversale rendant variable le volume de la cavité (7) et reliée à un système d'amortissement actif (11,12,13), la cavité (7) étant utilisable pour créer et ajuster un coussin d'amortissement des vibrations subies par la bande, situé entre la bande et le dispositif.
Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le système d'amortissement passif (10) est configuré pour amortir les vibrations de la bande dans une gamme de fréquence comprise entre 1 et n fois (n entier) la fréquence propre de la bande, de préférence entre 0,5 Hz et 5 Hz et de préférence encore entre 0,5 Hz et 10 Hz.
Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le système d'amortissement actif comprend au moins un capteur (11) mesurant un signal ou une information physique caractéristique des vibrations de la bande (1) telle qu'une position ou un déplacement, une vitesse ou une accélération et un actionneur (12) piloté par un système de contrôle (13) et est configuré pour que le signal du capteur (11) soit transmis en continu à l'entrée du contrôleur (13) dont la sortie est connectée à l'actionneur (12) et pour que l'actionneur (12) convertisse le signal qu'il reçoit du contrôleur (13), selon une loi de régulation en boucle ouverte ou fermée, en une force mécanique appliquée sur la plaque mobile (9).
Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le capteur (11) est un capteur de distance sans contact de type triangulation laser et l'actionneur (12) est un vérin électromagnétique.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite cavité (7) comprend une boîte interne fermée (5') dont les parois latérales (17') forment avec les parois latérales (17) de la cavité (7) des conduits d'injection (6') du gaz sous pression par les fentes (6) vers la bande, la boîte interne (5') étant mobile dans la direction transversale à la bande et reliée au niveau d'une face arrière à un système d'amortissement passif (10) ou actif (11,12,13), les mouvements transversaux de la boîte interne (5') pouvant coopérer avec le système d'amortissement passif (10) ou actif (11,12,13) auquel ladite boîte (5') est reliée au niveau de sa face arrière, pour créer et ajuster un coussin d'amortissement des vibrations subies par la bande, situé entre la bande et le dispositif.
Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il est configuré pour que la section de passage des conduits d'injection (6') varie avec la position relative de la boîte interne (5') par rapport à la bande (1).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite cavité (7) comprend une boite interne (5') dont les parois latérales (17') forment avec les parois latérales (17) de la cavité (7) des conduits d'injection (6') du gaz sous pression par les fentes (6) vers la bande, la boîte interne (5') étant fixe et comprenant un conduit central (7') la traversant de part en part transversalement, débouchant au niveau d'une ouverture (18') sur la face avant (18) de la boîte interne (5') et sur sa face arrière au niveau d'une ouverture (27') pouvant être obstruée par un élément mobile (37) solidaire d'un système d'amortissement passif (10) ou actif (11,12,13), ledit conduit central (7') étant en communication avec l'alimentation en gaz comprimé, lorsque l'ouverture (27') n'est pas obstruée par l'élément mobile (37), l'utilisation des mouvements transversaux de l'élément mobile (37) d'obstruction de l'ouverture (27') du conduit central de la boite interne (5'), sur la face arrière de celle-ci et de la boîte interne fixe (5') coopérant avec l'obturateur (37) relié au système d'amortissement passif (10) ou actif (11,12,13), pour injecter du gaz comprimé du système d'alimentation vers la bande via ledit conduit central (7') permettant de créer et d'ajuster un coussin d'amortissement des vibrations subies par la bande, situé entre la bande et le dispositif.
Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, avec une bande métallique (1) comprenant de l'acier, de l'aluminium, du zinc, du cuivre ou l'un de leurs alliages.
Utilisation selon la revendication 17, caractérisée en ce que l'épaisseur de la bande métallique (1) est comprise entre 0,15 et 5 mm.
Utilisation selon la revendication 17 ou 18, caractérisé en ce que la bande métallique est soumise à un procédé de revêtement au trempé à chaud en continu avec une vitesse de défilement de la bande comprise entre 2 et 10 m/s.
Utilisation selon la revendication 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.
Utilisation selon la revendication 19 ou 20, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche métallique de revêtement obtenue après essorage est comprise entre 3 et 20 µm.
Utilisation selon l'une quelconque des revendications 17 à 21, caractérisé en ce que le gaz sous pression est de l'air, de l'azote ou du dioxyde de carbone.