FR2920439A1

FR2920439A1 - Procede et dispositif d'oxydation/reduction controlee de la surface d'une bande d'acier en defilement continu dans un four a tubes radiants en vue de sa galvanisation

Info

Publication number: FR2920439A1
Application number: FR0757331A
Authority: FR
Inventors: Pierre Jerome Borrel
Original assignee: Siemens VAI Metals Technologies SAS
Current assignee: Clecim SAS
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2009-03-06
Anticipated expiration: 2027-09-03
Also published as: CN101796203A; CN101796203B; FR2920439B1; US20100173072A1; EP2188399B1; EP2188399A1; US8609192B2; WO2009030823A1; EP2188399B2; JP2010538163A

Abstract

Le procédé assure dans un four de recuit de galvanisation en continu de bandes d'acier comprenant une section de préchauffage et une section de maintien et équipé de tubes radiants sans zone à flamme directe, l'oxydation de la bande visant à prévenir l'oxydation sélective des éléments d'alliage de l'acier, et comprend les étapes suivantes:- l'installation dans au moins un endroit de la section de préchauffage du four et/ou dans au moins un endroit de la section de maintien du four, d'au moins un tube modifié capable d'injecter un médium oxydant ; et- l'injection du médium oxydant par l'intermédiaire du (ou des) tube(s) modifié(s) ;- le médium oxydant ayant une composition telle que, dans les conditions de température du médium oxydant et de la bande d'acier, et en fonction de la composition chimique de la bande, il possède un point de rosée assurant l'oxydation en profondeur des éléments d'alliage de la bande d'acier.

Description

L'invention se rapporte à la galvanisation en continu de bandes d'acier notamment AHSS à fortes teneurs en silicium, manganèse, aluminium et, en particulier, aux installations comportant un four à tubes radiants sans zone de chauffage à flamme directe.

L'évolution des matériaux employés dans la construction automobile a successivement conduit à la galvanisation des bandes d'acier préalablement à leur mise en oeuvre par les constructeurs automobiles afin d'améliorer la résistance à la corrosion des éléments de châssis et de carrosserie en acier.

Puis, afin d'alléger les structures tout en améliorant la résistance à l'effondrement par choc (crash) des véhicules, ont été développés de nouvelles nuances d'aciers à très haute limite d'élasticité présentant une grande capacité d'allongement. De tels matériaux, nommés AHSS (Advanced High Strength Steels) font appel à des compositions chimiques et des procédures de mise en oeuvre spécifiques qui singularisent certaines familles d'acier tels que les aciers DP ou Dual Phase, les aciers TRIP ou TRansformation Induced Plasticity... Ces aciers sont, en particulier, décrits dans le Advanced High Strength Steel (AHSS) application guidelines préparé par le Committee on Automotive Applications de l'International Iron & Steel Institute. Ces aciers ont ouvert de nouvelles perspectives dans la conception des automobiles mais posent un certain nombre de problèmes aux producteurs d'acier. En effet, certains de leurs éléments d'alliage tels que le manganèse, le silicium, l'aluminium, le chrome... forment à la surface des bandes d'acier une mince couche d'oxydes pendant l'opération de recuit précédant l'immersion dans le bain de galvanisation. Cette oxydation sélective nuit à la mouillabilité du zinc et donc à la qualité du revêtement. Ces phénomènes sont dus à des processus de diffusion des éléments d'alliage hautement oxydables vers la surface de la bande où ils peuvent s'oxyder même dans les zones à tubes radiants des fours où l'atmosphère est pourtant réductrice pour les oxydes de fer. De très nombreuses études ont été menées afin de comprendre la cinétique de ces phénomènes d'oxydation et d'apporter des solutions aux problèmes posés lors de la galvanisation. Le document de synthèse Meeting report ECSC steel workshop Galvanazing of steel strip, Luxembourg, February 27-28, 2002 de la CECA (ESCC) donne une liste de documents de référence issus pour la plupart de travaux conduits sous l'égide de la Communauté Européenne. Parmi les solutions proposées afin d'assurer une galvanisation de qualité figurent des prétraitements superficiels des bandes d'acier avant leur mise en oeuvre dans les installations de galvanisation en continu (traitements chimiques, électrodéposition ou revêtement en phase vapeur par un très fin film de fer, nickel, cuivre...), des opérations d'enlèvement mécanique ou chimique des oxydes après recuit et avant l'entrée dans le bain de zinc.

Une autre voie a été particulièrement étudiée qui consiste à soumettre, dans le four de recuit, la surface des bandes à des conditions de températures et d'atmosphère propres à oxyder rapidement et en profondeur les éléments d'alliage et éviter ainsi leur migration ultérieure en surface. Durant cette opération se forme une couche d'oxydes qui sera ultérieurement éliminée dans les zones suivantes du four de recuit sous atmosphère réductrice. De telles techniques d'oxydation / réduction contrôlées ont fait l'objet de nombreuses études et expérimentations. Le document Enhancing the wettability of High Strength Steels during Hot-Dip galvanizing présenté dans le cadre de la conférence Galvatech 2004 décrit les principes physiques qui régissent la formation contrôlée puis la réduction de cette couche d'oxydes. Le brevet JP 02-285057 décrit une phase d'oxydation entre 400 et 700°C dans une atmosphère légèrement oxydante puis une phase de réduction entre 600 et 800°C en atmosphère réductrice, il indique des plages de températures et la composition des gaz (teneurs en 02, N2 et H2). Le brevet EP 1 285 972 décrit le même principe. Ces deux brevets restent toutefois très généraux et ne révèlent pas clairement les moyens pratiques de contrôler les réactions. Le brevet EP 1 457 580 décrit une installation permettant de réaliser la phase d'oxydation dans une enceinte spécifique où la bande est chauffée par induction ou combustion d'un gaz, en atmosphère oxydante, entre 100 et 400°C. Le brevet US 3,936,543 décrit une conduite de four de recuit visant non pas le revêtement spécifique des aciers AHSS mais permettant d'éviter l'utilisation de flux de nettoyage lors de la galvanisation grâce à l'oxydation puis la réduction superficielle de bandes d'aciers au carbone. Le four de recuit précédant le bain de galvanisation est un four classique comportant une zone de chauffage à flamme directe (DFF) et une zone de maintien en température à tubes radiants (RTF). L'oxydation superficielle est obtenue dans la zone DFF par réglage de la combustion en conditions sur- stoechiométrique afin que les gaz brûlés présentent un excès contrôlé d'oxygène. La réduction est obtenue dans la zone RTF qui comporte au moins 5% d'hydrogène, le reste étant de l'azote. Le principe posé par ce brevet peut être mis en oeuvre pour l'oxydation / réduction contrôlée des aciers AHSS. Il présente l'avantage de ne pas nécessiter d'installations annexes d'oxydation et d'utiliser les fours de galvanisation mixtes DFF / RTF sans modifications importantes. Toutefois, les fours de galvanisation ne comportent pas tous la zone DFF nécessaire pour pratiquer facilement l'oxydation et nombreux sont ceux qui mettent uniquement en oeuvre des tubes radiants. Or ces fours, malgré leur atmosphère contrôlée, n'évitent pas l'oxydation sélective des éléments d'alliage. Le brevet WO 2005/017214 propose deux possibilités pour résoudre le problème. La première consiste à utiliser une chambre de combustion à flamme directe séparée du four de recuit RTF et dont ont recueille les gaz brûlés afin de les injecter dans le four. La seconde consiste à installer un brûleur à flamme directe dans une zone de l'enceinte du four. Dans les deux cas, les gaz brûlés fournissent l'atmosphère oxydante nécessaire dans des conditions de composition dépendant évidemment de la température de la bande et de celle des gaz. La réduction est ensuite classiquement obtenue par passage dans un mélange d'azote et d'hydrogène. Ces deux possibilités nécessitent une modification des installations existantes (enceinte additionnelle de combustion et gaines d'amenée des gaz brûlés au four, montage d'un brûleur dans le four). De plus, elles figent la position dans le four de recuit de la zone d'oxydation et, par là même, figent la température de la zone d'oxydation, ce qui ne permet pas une grande souplesse d'utilisation. Le procédé et le dispositif pour sa mise en oeuvre objets de la présente invention apportent la solution à ces deux problèmes. De manière générale l'invention consiste à injecter un medium oxydant dans une section d'un four à tubes radiants, notamment à atmosphère azote / hydrogène, grâce à un ou plusieurs tubes, en particulier spécialement modifiés et capables d'être installés en lieu et place de n'importe lequel des tubes existants. En fonction de la plage de températures choisie pour l'oxydation, cette injection peut être réalisée dans n'importe quelle section du four, préférentiellement dans la section de préchauffage.

Le medium doit présenter, en fonction de la température de la bande et de la composition chimique de cette dernière, un point de rosée tel que les éléments d'alliage comme le silicium, le manganèse, l'aluminium, le chrome sont oxydés en profondeur et n'ont plus la possibilité de migrer en surface. En règle générale, ce point de rosée est supérieur à -20°C.

Pour atteindre cet objectif, le médium injecté peut être de la vapeur d'eau ou de l'air ou un mélange riche en oxygène. Ce peut également être le produit résultant de la combustion d'un mélange sur-stoechiométrique air ou air suroxygéné ou oxygène / carburant dans un brûleur. Ainsi, l'invention concerne en particulier un procédé assurant, dans un four de recuit de galvanisation en continu de bandes d'acier comprenant une section de préchauffage et une section de maintien et équipé uniquement de tubes radiants, l'oxydation de la bande visant à prévenir l'oxydation sélective des éléments d'alliage de l'acier, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - l'installation dans au moins un endroit de la section de chauffage du four et/ou dans au moins un endroit de la section de maintien du four, d'au moins un tube modifié capable d'injecter un médium oxydant ; et - l'injection du médium oxydant par l'intermédiaire du (ou des) tube(s) modifiés(s) ; - le médium oxydant ayant une composition telle que, dans les conditions de température du médium oxydant et de la bande d'acier, et en fonction de la composition chimique de la bande, il possède un point de rosée assurant l'oxydation en profondeur des éléments d'alliage de la bande d'acier. Le contrôle de cette oxydation sélective fait de préférence appel à la mesure du point de rosée dans la ou les zone(s) d'installation du (ou des) tube(s) modifiés(s). Cette mesure peut être réalisée par des transmetteurs de point de rosée installés en poste fixe et fonctionnant en boucle fermée avec les organes de réglage du débit du médium oxydant injecté par les injecteurs de medium oxydant et/ou, de réglage des brûleurs. L'invention concerne également un dispositif assurant l'organisation, dans une section de préchauffage et/ou une section de maintien d'un four de recuit de galvanisation en continu de bandes d'acier équipé uniquement de tubes radiants, d'au moins une zone d'oxydation visant à prévenir l'oxydation sélective des éléments d'alliages de l'acier, par injection d'un médium oxydant dans la zone d'oxydation, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tube comportant au moins une branche pourvue de trous calibrés laissant passer le médium oxydant dans la zone d'oxydation. Le moyen d'introduction du médium oxydant peut être soit un injecteur assurant l'alimentation du tube en un médium oxydant chaud tel que de la vapeur d'eau, de l'air ou un gaz riche en oxygène, soit un brûleur alimentant le tube en un produit résultant de la combustion d'un mélange sur-stoechimétrique air/combustible, d'un mélange stoechiométrique air suroxygéné/combustible ou d'un mélange stoéchiométrique air/combustible oxygéné dans la limite de non explosivité. Le ou les tube(s) modifié(s) destinés à fournir le médium oxydant nécessaire à l'oxydation de la bande est (sont), par exemple, un tube en U dont une branche d'entrée est équipée à son extrémité d'un dispositif d'injection de vapeur d'eau ou d'air préchauffé ou non, suroxygéné ou non ou d'oxygène et dont la branche opposée à la branche d'entrée est obturée à son extrémité, au moins une des branches de préférence la branche opposée à la branche d'entrée, est percée de trous calibrés laissant passer ledit médium. Le tube en U peut être remplacé par n'importe quelle forme de tube classique comme, par exemple une forme en P, en double P, en W ou en doigt de gant. Selon une autre caractéristique de l'invention, le tube radiant destiné à fournir le médium oxydant est un tube en P ayant une branche d'entrée équipée à son extrémité d'un brûleur et dont au moins une des branches, de préférence la branche opposée à la branche d'entrée, est percée de trous calibrés laissant passer des gaz brûlés dans l'enceinte du four. La branche opposée à la branche d'entrée comportant le brûleur peut laisser s'évacuer une partie des gaz brûlés à l'extérieur du four à travers un orifice calibré ou comporter un dispositif échangeur de chaleur permettant de préchauffer l'air de combustion avec les gaz brûlés. Le tube en P peut être remplacé par n'importe quelle forme de tube classique comme, par exemple une forme en U, en W, endouble P ou en doigt de gant. Le ou les brûleurs sont alimentés en mélange sur-stoechiométrique air / combustible ou en mélange stoechiométrique air suroxygéné / combustible ou en mélange stoechiométrique air / combustible oxygéné dans les limites de non explosivité. Les tubes équipés de brûleur ou d'injecteur, quelque soit leur type, sont directement interchangeables avec ceux existants. Ils peuvent être installés à la demande en fonction de la température choisie pour l'oxydation ou être installés à demeure en différents points du four. Dans ce cas, ils sont activés en fonction du choix de la température à laquelle on souhaite oxyder la bande, donc de la position du tube dans le four. Un autre avantage du procédé est de localiser l'injection de medium oxydant exactement là où on en a besoin, c'est-à-dire très près des deux faces de la bande d'acier et de pouvoir profiter de l'effet local de turbulence au contact de la bande qui favorise les réactions entre le médium et la bande. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement: Figure 1, une ligne de galvanisation équipée d'un four à tubes radiants, Figure 2, le cheminement de la bande d'acier depuis son entrée dans le four jusqu'à sa sortie du bain de zinc ainsi que la variation de sa température, Figures 3 à 6, des tubes radiants selon l'invention équipés de brûleurs, Figures 7 et 8, des tubes radiants selon l'invention équipés d'injecteurs.

Le revêtement des bandes d'acier par du zinc ou des alliages à base de zinc est réalisé sur des lignes continues de galvanisation telles que schématisée en figure 1 et qui comportent typiquement : • Une section d'entrée avec une ou deux dérouleuses de bande 1 une cisaille guillotine 2 une soudeuse de raboutage 3 permettant de raccorder la queue d'une bande issue d'une des dérouleuses à la tête de la prochaine bande issue de l'autre dérouleuse et assurant ainsi un fonctionnement continu de la ligne, un accumulateur de bande 4 qui restitue à son aval de la bande préalablement accumulée lorsqu'on stoppe le déroulement en amont de l'accumulateur pour réaliser la soudure de raboutage. • Une section 5 de dégraissage des bandes laminées à froid ou de décapage acide des bandes laminées à chaud. • Un four de recuit 6 assurant le chauffage, le maintien à la température de recuit, le refroidissement, le vieillissement lorsque nécessaire et la mise à température contrôlée de la bande avant son entrée dans le bain de zinc en fusion. • Une section de galvanisation proprement dite avec le bain de zinc 7 dans lequel est immergée la bande, un dispositif d'essorage du zinc liquide 8 éventuellement un four de galvanealing à induction 9, un refroidissement 10 et un bac de trempe 11. • Une section de sortie avec un ensemble de Skin-Pass 12 une section de passivation 13 un accumulateur de sortie 14 une cisaille 15 et une ou deux enrouleuses 16 travaillant alternativement.

La figure 2 décrit l'arrangement des différentes sections d'un four de recuit de galvanisation à tubes radiants et, en surimpression, l'évolution de la température de la bande B lors de son cheminement dans le four (courbe T). Ladite bande B entre dans le four 6 par une section de préchauffage 61 suivie d'une section de maintien en température 62, d'une section de refroidissement 63 avec des moyens de refroidissement lent 631 et rapide 632, d'une section de vieillissement 64 et d'une section 65 de mise en température requise pour l'immersion dans le bain de zinc 7. Comme cela est connu en soi, le chauffage notamment dans 30 les sections de préchauffage 61 et de maintien 62 du four 6 est obtenu au moyen de tubes radiants. Selon un premier mode de réalisation de l'invention représentée à la figure 3, un tube radiant 2, en P, est installé dans l'enceinte 1 d'un four de recuit de galvanisation, par exemple une section de préchauffage ou de 35 maintien. Il est assemblé par un support 5 et une platine 4. Un brûleur 3 alimenté en combustible et en air de combustion est disposé à l'extrémité de la branche d'entrée 2a du tube 2 et délivre dans le tube des gaz brûlés à haute température. Ces gaz brûlés sont pour l'essentiel diffusés dans l'enceinte 1 à l'aide de trous calibrés 6 ménagés dans la branche 2b du tube, opposée à la branche d'entrée 2a. Cette branche 2b est obturée à son extrémité de sorte que pour partie les gaz brûlés recirculent dans le tube. En variante, comme représenté en figure 4, la branche 2b du tube 2 en P opposée au brûleur 3 est équipée d'un dispositif calibré ou réglable 7 permettant de faire s'évacuer vers l'extérieur du four une partie des gaz brûlés. Dans une autre variante représentée en figure 5, la branche 2b du tube en P opposée au brûleur 3 est équipée d'un dispositif de réchauffage 8, 9 de l'air de combustion par les gaz brûlés. Enfin, le tube radiant peut être du type en double P comme montré en figure 6. Dans ce cas, comme le montre la figure 6, le brûleur 3 est disposé dans l'extrémité ouverte de la branche d'entrée centrale 2a du tube 2. Les trous 6 sont alors de préférence ménagés dans chacune des branches opposées 2b situées de part et d'autre de la branche centrale 2a. Selon un second mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 7, un tube en U 2 est installé dans l'enceinte 1 d'un four de recuit de galvanisation. Il est assemblé par un support 5 et une platine 4. Un injecteur 10 alimenté en gaz oxydant sous pression tel que de la vapeur d'eau, de l'air ou un mélange riche en oxygène délivre dans le tube 2 un mélange de gaz oxydants et de mélange HNx à haute température présent dans l'enceinte du four. Ce mélange est diffusé dans l'enceinte 1 à l'aide de trous calibrés 6 ménagés dans la branche 2b opposée à la branche d'entrée 2a. L'extrémité de la branche 2b opposée à la branche d'entrée 2a comportant l'injecteur est obturée par un bouchon 11. En variante décrite en figure 8, le tube radiant 2 peut être du type en 30 double P analogue à celui décrit à la figure 6, le brûleur étant remplacé par un injecteur 10. Les injecteurs sont des dispositifs statiques ne nécessitant pas d'autre énergie que celle du fluide qui sont par ailleurs toujours disponibles dans les sites métallurgiques, la vapeur d'eau sous des pressions de 8 à 10 bars.

35 D'autre part, l'énergie de détente dans l'enceinte du four entraine un effet de brassage et de circulation qui évite l'emploi de ventilateurs. Le coût énergétique du procédé est donc très limité.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé assurant, dans un four de recuit de galvanisation en continu de bandes d'acier comprenant une section de préchauffage et une section de maintien et équipé de tubes radiants sans zone à flamme directe, l'oxydation de la bande visant à prévenir l'oxydation sélective des éléments d'alliage de l'acier, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: l'installation dans au moins un endroit de la section de préchauffage du four et/ou dans au moins un endroit de la section de maintien du four, d'au moins un tube modifié capable d'injecter un médium oxydant ; et l'injection du médium oxydant par l'intermédiaire du (ou des) 15 tube(s) modifié(s) ; le médium oxydant ayant une composition telle que, dans les conditions de température du médium oxydant et de la bande d'acier, et en fonction de la composition chimique de la bande, il possède un point de rosée assurant l'oxydation en 20 profondeur des éléments d'alliage de la bande d'acier.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition du médium est telle que, dans les conditions de température du médium et de la bande et en fonction de la composition chimique de ladite bande, le point de rosée du médium est supérieur à -20°C. 25

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le médium oxydant est de la vapeur d'eau, de l'air ou un gaz riche en oxygène, injecté au moyen d'un injecteur.

4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le médium injecté résulte de la combustion, grâce à un brûleur, d'un mélange 30 air sur-stoechiométrique combustible, d'un mélange stoechiométrique air suroxygéné/combustible ou d'un mélange stoechiométrique air/combustible oxygéné dans les limites de non explosivité.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mesure du point de rosée du 35 médium oxydant dans les sections du four où sont installés les tubesmodifiés et une étape de régulation du débit de médium oxydant dans les dits tubes en boucle fermée avec la mesure de point de rosée.

6. Dispositif assurant l'organisation, dans une section de préchauffage et/ou une section de maintien d'un four de recuit de galvanisation en continu de bandes d'acier équipé de tubes radiants sans zone à flamme directe, d'au moins une zone d'oxydation visant à prévenir l'oxydation sélective des éléments d'alliages de l'acier, par injection d'un médium oxydant dans la zone d'oxydation, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tube comportant au moins une branche pourvue de trous calibrés laissant passer le médium oxydant dans la zone d'oxydation et se substituant à au moins un tube radiant de chauffage existant.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le tube est un tube en U ou en W ou en P ou en double P ou en doigt de gant comportant une branche d'entrée pourvue d'un brûleur dont les gaz de combustion constituent le médium oxydant et une branche opposée à la branche d'entrée pourvue du brûleur.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la branche opposée du tube en U ou en W ou en P ou en double P est obturée à son extrémité.

9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la branche opposée du tube en U ou en W ou en P ou en double P comporte à son extrémité un orifice calibré pour évacuer une partie des gaz de combustion.

10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la branche opposée du tube en U ou en W ou en P ou en double P comporte un dispositif échangeur de chaleur pour préchauffer un gaz d'alimentation du brûleur au moyen des gaz de combustion.

11. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le tube est un tube en U ou en W ou en P ou en double P ou en doigt de gant ayant une branche d'entrée pourvue d'un injecteur destiné à introduire le médium oxydant et une branche opposée à la branche d'entrée comportant l'injecteur dont l'extrémité est obturée.