WO2001073148A1 - Procede et dispositif pour realiser un revetement metallique sur un objet sortant d'un bain de metal fondu - Google Patents

Procede et dispositif pour realiser un revetement metallique sur un objet sortant d'un bain de metal fondu Download PDF

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WO2001073148A1
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molten metal
meniscus
outlet channel
ratio
magnetic field
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Gérald Sanchez
José Delot
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Delot Process
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    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/34—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the shape of the material to be treated
    • C23C2/36—Elongated material
    • C23C2/40—Plates; Strips
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    • C23C2/36—Elongated material
    • C23C2/38—Wires; Tubes

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a metallic coating on an object emerging from a molten metal bath.
  • the invention also relates to a device implementing such a method.
  • a metallic coating for example zinc
  • a metallic wire copper or steel for example
  • the coated wire is placed in a thermal oven so as to obtain a diffusion of the zinc in the wire.
  • the invention can also find applications in other fields such as the production of metallic coating in order to protect a non-metallic core such as an optical fiber for example.
  • One of the major characteristics of • achieving a coating is the thickness of the peripheral layer obtained.
  • Theoretical results relating the thickness of the coating to the speed of movement of the metal wire and to the hydrodynamic properties of the molten metal were notably established by L. Landau and B. Levich in an article referenced Acta Physicochimica URSS Vol. XVII, No. 1-2, 1942: "Dragging of a Liquid by a Moving Plate".
  • This article presents an equation linking to the first order the thickness of the coating assumed to be constant with a capillary number depending on the hydrodynamic properties of the molten metal, and this insofar as the molten metal is a perfectly wetting liquid and the coated object is a plate .
  • This document discloses a device for confining a jet of liquid metal by creating an overpressure by means of a coil surrounding the jet and traversed by an alternating current whose frequency is less than a given value.
  • many magnetic wiping techniques are included in the state of the art, in particular patent EP 0 720 663 B1 of the present applicant in which an inductor, arranged around a channel for leaving the bath of molten metal, produces a transverse, alternating electromagnetic field of low frequency, and sliding, the displacement of the galvanized product being done along a horizontal axis.
  • the device thus produced makes it possible to determine the conditions for which the lengths of the Duvet associated with the flow of the covering liquid respectively in the enclosure and in its outlet channel remain below the critical values beyond which the flows become clearly turbulent. These conditions imply a precise dimension in the enclosure containing the liquid metal and make it possible, in the case of horizontal drainage, to keep the molten metal inside the outlet channel.
  • the thickness is checked according to a formula analogous to that used in the hydrodynamic model of Landau and Levich, the references of which are cited above.
  • the method described in this document EP 0 720 663 B1 cannot relate to thin products because by construction the inductor has too large an air gap for the sliding field created by this inductor can act effectively on these products.
  • Document US-A-4 228 200 describes a method of adjusting the metal coating on a wire emerging vertically from a bath of molten metal.
  • the thickness is adjusted by means of a single coil device creating an alternating, fixed electromagnetic field of very low frequency, applied at the point of exit or below the point of exit of the wire.
  • the electromagnetic field thus created expels molten metal from the area of the highest flux density to areas of a lower flux density.
  • the amplitude of the electromagnetic forces exerted by the field generated by the electromagnetic device is modified.
  • the device saturates for a frequency beyond
  • Another object of the invention is the production of a thin coating, typically of the order of a micrometer, on small objects while consuming little energy and limiting the rise in temperature of the coating.
  • the present invention also relates to a device in which the enclosure containing the bath of molten metal is suitably dimensioned so as to allow an effective adjustment of the thickness of the coating whatever the type of drainage of the object (vertical, oblique or horizontal).
  • the above objectives are achieved with a method for producing a metallic coating on an object emerging from a bath of molten metal, in which a magnetic field is created in the vicinity of the point of exit from the object.
  • the object leaves the molten metal bath through an outlet channel containing a meniscus of said molten metal bath, and the thickness of the metal coating is adjusted as a function of a second derivative of the meniscus curve and a capillary number Ca representing the ratio between viscous forces of the molten metal and surface tension forces on the surface of the molten metal.
  • This characteristic can be represented in the form of an equation:
  • the object to be coated can advantageously be produced elongated at constant section such as a wire of the metal wire or optical fiber type, or a plate.
  • the invention has an advantage over the documents of the prior art because it expresses the thickness as a function of the physical elements represented in the second derivative and in the number Ca which is explained below.
  • the properties of the coating result from a competition between mainly four types of forces:
  • the outlet channel is dimensioned so as to maintain the meniscus of the molten metal in conditions close to the capillary-gravity balance under field magnetic.
  • the second derivative of the curve of said meniscus is a function of an electromagnetic forming parameter K representing the ratio between the surface tension forces and the forces due to the forming effect.
  • K 2MO7 C f B 0 2 l
  • the expression of the second derivative can be as follows: ⁇ ⁇ _ ⁇ r is the radius of the wire; ⁇ 2 is such that r * ⁇ 2 equals the height of the meniscus 1 2 , ⁇ 2 is preferably obtained by numerical calculation; and Bd is a Bond number representing the relationship between gravity forces and
  • the outlet channel can be made in such a way that the annular distance is of the order of the height of the meniscus, the annular distance being the distance between the internal wall of the outlet channel and the metallic coating formed outside the meniscus.
  • the height 1 2 of the meniscus can be obtained from the following expression:
  • the second derivative of the curve of said meniscus is a function:
  • ⁇ RI radius of the wire, RO radius of the opening of the outlet channel, V 0 the speed of travel of the wire, and ⁇ a term reflecting the influence of the Couette flow and equal to:
  • the outlet channel is produced so that the ratio of the ratio between the average thickness of said object and the opening of the outlet channel is greater than or equal to 0.8 for do not deploy intense fields.
  • the average thickness is the diameter. In the case of a non-circular wire, the average thickness is an estimated value.
  • a feature of the present invention is to avoid the influence of gravity.
  • the magnetic field according to the invention acts directly on the meniscus.
  • the magnetic field can be stationary alternating, and can advantageously be created by means of a flat inductor.
  • a "Pancake” type inductor can be used.
  • the invention is thus remarkable by the fact that the magnetic field created is active only on a weak height of the molten metal forming the coating.
  • the rise in the temperature of the coating due to the magnetic field is advantageously small compared, for example, to the process proposed by the Metallurgical Research Center of Liège cited above.
  • the magnetic field is created by means of an alternating current whose frequency is such that the ratio between the capillary length and the thickness of magnetic skin in the metallic coating is greater than or equal to three.
  • means are used for electromagnetic pressure or pumping of the molten metal to maintain the altitude of the meniscus in the outlet channel, this making it possible to compensate for the continuous consumption of the molten metal in the production of said coating.
  • the invention also relates to a device for producing a metallic coating on an object emerging from a bath of molten metal.
  • the device comprises means for creating a magnetic field in the vicinity of the point of exit of said object.
  • the device may include an outlet channel containing a meniscus of said molten metal bath, as well as means for adjusting the thickness of the metal coating as a function of a second derivative of the meniscus curve and of a capillary number Ca representing the relationship between viscous forces of the molten metal and surface tension forces on the surface of the molten metal.
  • Figure 1 is a simplified sectional view of a enclosure containing molten metal and crossed vertically by a metal wire, the molten metal being displaceable by means of a gas
  • Figure 2 is a simplified sectional view of an enclosure containing a molten metal and traversed by a metal wire, the molten metal being movable by means of a piston
  • FIG. 3 is a simplified sectional view of an enclosure composed of two sub-enclosures, one of which is crossed by the metal wire, the molten metal being able to be moved by means of electromagnetic pumps;
  • FIG. 4 is a simplified sectional view identical to that of Figure 1, but with an outlet channel directed vertically downwards;
  • - Figure 5 is a schematic view of the meniscus in the outlet channel;
  • FIG. 6 is a graph representing the thickness of the coating as a function of the dimensionless numbers (Ca, Bd and K) in the form of layers.
  • the device according to the invention comprises an enclosure 1 generally made up of two volumes 1a and 1b whose upper faces are aligned.
  • the first volume la playing the role of a reservoir, is of rectangular parallelepiped shape.
  • This reservoir supplies it by an ascending corridor the second volume 1b of smaller height and greater length compared to the dimensions of the first volume.
  • the feed corridor is produced by means of a vertical barrier 8, of height greater than that of the second volume 1b, fixed to the upper face of the first volume 1a so as to leave a passage through the bottom of the volume 1a to the second volume lb.
  • the enclosure 1 contains a molten metal 5 such as for example zinc or tin.
  • a supply channel 2 is arranged on the upper face of the first volume 1a in order to apply pressure to the surface 7 of the molten metal 5 by means of a gas injected into this supply channel 2.
  • the pressure exerted by a gas through the feed channel 2 pushes the molten metal from the first volume la to the second volume 1b and thus compensate for the loss of molten metal used for galvanizing.
  • This galvanization is carried out on a metallic wire 4 of steel, for example arranged vertically in the second volume 1b near the outer edge.
  • External scrolling means allow the upward movement of the metal wire 4 which enters the second volume 1b by a horizontal face and emerges via an outlet channel 3 disposed on the upper face of this volume 1b.
  • the outlet channel 3 is annular in shape and is dimensioned so that the molten metal penetrates to a certain height by forming a meniscus 6.
  • the metal wire 4 passes through the center of the channel 3.
  • an inductor 9 "Pancake" type dish is placed around the channel 3 at the meniscus 6.
  • the inductor 9 is supplied by an alternating current so as to create a stationary alternating magnetic field which influences the molten metal at the meniscus 6.
  • We use a flat inductor because the minimum height ⁇ z of molten metal at the level of the meniscus that the magnetic field must pass through in order for the created electromagnetic effect to be completed, is very low.
  • V 0 Im / s Vo being the speed of movement of the metal wire;
  • B 0 0.05 TB o being the intensity of the magnetic field;
  • p 7 * 10 3 kg / m 3 p being the density of the molten metal;
  • R 0 4.3 * 10 ⁇ 3 R 0 being the internal radius of the outlet channel 3.
  • ⁇ z being very small, it is therefore possible advantageously to use a flat inductor for an alternating magnetic field.
  • This magnetic field induces a pressure force at the level of the meniscus 6.
  • Figure 5 shows some characteristic parameters at the meniscus.
  • e 0 the thickness of the coating forming a layer peripheral around the metal wire 4.
  • ⁇ e an angle ⁇ e is defined at this point which varies according to the level of wetting of the molten metal.
  • the height of the meniscus is given by r ⁇ 2 . From the coating thickness equation
  • 2 K establish a representation of the thicknesses as a function of the dimensionless numbers defined above: Ca (capillary number), Bd (Bond number) and K (electromagnetic forming parameter).
  • This curve is represented in FIG. 6 in the form of distinct layers as a function of Bd in a three-dimensional space whose marks are 1 / K, Ca and eo / r. This curve can serve as an abacus for the production of coating on a wire.
  • an external device is provided for injecting gas into the volume la through the supply channel 2 and pushing back level 7 down depending on the amount of molten metal consumed to make the coating.
  • This maintenance of the level of the meniscus 6 can also be achieved by means of a device similar to that of FIG. 1 but by replacing the gas supply channel 2 by a piston 10 immersed in the molten metal 5 in the flanked volume. vertical walls 11 and 12.
  • Maintaining the level of the meniscus 6 can also be achieved by means of a device as illustrated in FIG. 3 in which the enclosure 1 comprises two separate volumes 13 and 14 simply connected by a corridor 15 of small cross section relative to the two volumes.
  • the volume 14 is placed at an altitude higher than the bottom of the volume 13 so that the corridor 15, connected to the bottom of the volume 13, is inclined upwards to connect to the bottom of volume 14.
  • the metal wire 4 passes vertically from bottom to top of volume 11 by exiting through the outlet channel 3 produced on the upper face of volume 14.
  • electromagnetic pumps 16 and 17 were placed on either side of the corridor 15 so as to pump the molten metal to the volume 14.
  • Figure 4 illustrates a device similar to that of Figure 1, but with an outlet channel 3 formed on the underside of the volume lb.
  • the direction of movement of the metal wire 4 is here from top to bottom.
  • the invention described above thus makes it possible to very precisely and efficiently adjust the thickness of a metal coating on an object whose diameter (or thickness) with a low power requirement and an equally low temperature rise. can be very weak.
  • the coated object can be, without limitation, a plate, a circular wire or not, a round, oval or square tube.

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Abstract

La présente invention est relative à un procédé pour réaliser un revêtement métallique sur un objet (4) sortant d'un bain de métal fondu (5). L'objet peut par exemple être un fil ou une plaque. On crée au voisinage du point de sortie de l'objet un champ magnétique. L'objet sort du bain de métal fondu à travers un canal de sortie (3) contenant un ménisque dudit bain de métal fondu. On règle l'épaisseur du revêtement métallique en fonction de la dérivée seconde de la courbe du ménisque (6) et d'un nombre capillaire Ca représentant le rapport entre des forces visqueuses du métal fondu et des forces de tension superficielle à la surface du métal fondu.

Description

" Procédé et dispositif pour réaliser un revêtement métallique sur un objet sortant d'un bain de métal fondu. "
L'invention concerne un procédé pour réaliser un revêtement métallique sur un objet sortant d'un bain de métal fondu. L'invention concerne également un dispositif mettant en œuvre un tel procédé.
Elle trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine de la fabrication de fil électrode pour électroérosion. A cet effet, on réalise d'abord un revêtement métallique, en zinc par exemple, sur un fil métallique, en cuivre ou en acier par exemple, puis on place le fil revêtu dans un four thermique de façon à obtenir une diffusion du zinc dans le fil métallique .
On peut également réaliser un revêtement en étain sur une âme en acier ou en cuivre, le produit obtenu étant destiné à subir des étapes de tréfilage.
L'invention peut aussi trouver des applications dans d'autres domaines tels que la réalisation de revêtement métallique en vue de protéger une âme non métallique comme une fibre optique par exemple .
Le principe général de fabrication de fil électrode pour électroérosion est largement décrit dans l'art antérieur, notamment dans les documents US-A-4 169 426 et EP-A-0 811 701 dans lesquels un fil conducteur traverse verticalement un bain de métal fondu puis subit un ensemble de traitement de façon à être tréfilé. Le procédé complexe et coûteux décrit dans le document US-A- 4 169 426 concerne un pré-traitement de nettoyage du fil métallique avant que ce dernier traverse le bain de métal fondu et subisse un refroidissement rapide. Le document EP-A-0 811 701 décrit deux électrodes en contact avec le fil métallique, respectivement en amont et en aval du bain de métal fondu, afin de chauffer par effet joule la partie du fil métallique comprise entre les deux électrodes en faisant circuler un courant par ces électrodes .
Une des caractéristiques majeures de • la réalisation d'un revêtement est l'épaisseur de la couche périphérique obtenue. Des résultats théoriques liant l'épaisseur du revêtement à la vitesse de déplacement du fil métallique et aux propriétés hydrodynamiques du métal fondu ont notamment été établis par L. Landau et B. Levich dans un article référencé Acta Physicochimica U.R.S.S. Vol. XVII, No. 1-2, 1942 : "Dragging of a Liquid by a Moving Plate". Cet article présente une équation liant au premier ordre l'épaisseur du revêtement supposée constante à un nombre capillaire fonction des propriétés hydrodynamiques du métal fondu, et ce dans la mesure où le métal fondu est un liquide parfaitement mouillant et l'objet revêtu est une plaque.
Or, en se basant sur les résultats théoriques précédents, l'épaisseur obtenue est souvent trop importante pour des applications de revêtement dans lesquelles une fine épaisseur est souhaitée. Ainsi diverses formes d'essuyage, c'est-à-dire de réduction de l'épaisseur du revêtement formé, ont été proposées telles que des techniques d'essuyage pneumatique ( action de lames d'air formant une contre-pression sur la surface libre du produit métallurgique émergeant du bain liquide), des techniques d'essuyage mécanique ( action de rouleaux venant "lécher" le produit métallurgique au moyen de tampons en amiante) et, enfin, des techniques d'essuyage magnétique, la présente invention relevant de cette dernière catégorie. Les techniques d'essuyage magnétique mettent en œuvre les forces de Lorentz développée dans le liquide de recouvrement par un champ magnétique, statique ou alternatif, fixe ou glissant. L'action du champ magnétique sur un métal liquide est connue et notamment décrite dans le document US-A-4 324 266. Ce document divulgue un dispositif pour réaliser le confinement d'un jet de métal liquide en créant une surpression au moyen d'une bobine entourant le jet et parcourue par un courant alternatif dont la fréquence est inférieure à une valeur donnée. D'une façon générale, de nombreuses techniques d'essuyage magnétique sont comprises dans l'état de la technique, notamment le brevet EP 0 720 663 Bl de la présente demanderesse dans lequel un inducteur, disposé autour d'un canal de sortie du bain de métal fondu, produit un champ électromagnétique transverse, alternatif de fréquence peu élevée, et glissant, le déplacement du produit galvanisé se faisant selon un axe horizontal. Le dispositif ainsi réalisé permet de déterminer les conditions pour lesquelles les longueurs de Couette associées à l'écoulement du liquide de recouvrement respectivement dans l'enceinte et dans son canal de sortie restent inférieures aux valeurs critiques au-delà desquelles les écoulements deviennent nettement turbulents. Ces conditions impliquent un dimensionne ent précis dans l'enceinte renfermant le métal liquide et permettent, dans le cas du drainage horizontal, de maintenir le métal fondu à l'intérieur du canal de sortie. Le contrôle de l'épaisseur est réalisé selon une formule analogue à celle utilisée dans le modèle hydrodynamique de Landau et Levich dont les références sont citées ci-dessus. Cependant, la méthode décrite dans ce document EP 0 720 663 Bl ne peut pas concerner des produits de faible épaisseur car par construction l'inducteur possède un entrefer trop important pour que le champ glissant créé par cet inducteur puisse agir efficacement sur ces produits.
Le document US-A-4 228 200 décrit un procédé de réglage du revêtement métallique sur un fil sortant verticalement d'un bain de métal fondu. Le réglage de l'épaisseur est obtenu au moyen d'un dispositif à bobine unique créant un champ électromagnétique alternatif, fixe de très faible fréquence, appliqué au point de sortie ou en dessous du point de sortie du fil. Le champ électromagnétique ainsi créé expulse le métal fondu depuis la zone de la densité de flux la plus élevée vers des zones d'une densité de flux inférieure. Pour régler l'épaisseur du revêtement, on modifie l'amplitude des forces électromagnétiques exercées par le champ engendré par le dispositif électromagnétique. Cependant, comme on le voit sur les figures 3A et 3B du document US-A-4 228
200, le dispositif sature pour une fréquence au delà de
300 Hertz par exemple. Le champ magnétique créé n'influence plus l'épaisseur du revêtement. En outre cette saturation doit fortement dépendre du type de métal utilisé puisque chaque métal possède un niveau de saturation différent.
On. connaît une méthode d'essuyage magnétique développée par M. Malmendier, J-F. Noville et S. Wilmotte du Centre de Recherches Métallurgiques (CRM) de Liège, et divulguée dans les " Conférences Proceedings" sous le titre "Amélioration du contrôle de la charge du zinc dans le processus de galvanisation au trempe", pages 407-412, 27-29 mai 1997. Cette méthode met en œuvre un champ magnétique, créé à partir d'un courant alternatif, agissant sur l'épaisseur du revêtement déjà formé. Cependant la méthode présentée nécessite la mise en œuvre de puissances importantes et implique une trop grande élévation de température du revêtement. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et a pour objet un procédé pour réaliser un revêtement dans lequel l'épaisseur du revêtement est réglée de façon précise en prenant en compte l'ensemble des paramètres intervenant à la réalisation de ce revêtement.
Un autre objet de l'invention est la réalisation d'un revêtement de faible épaisseur, typiquement de l'ordre du micromètre sur des objets de petite dimension tout en consommant peu d'énergie et en limitant l'élévation de température du revêtement.
La présente invention a encore pour objet un dispositif dans lequel l'enceinte renfermant le bain de métal fondu est convenablement dimensionnée de façon à permettre un réglage efficace de l'épaisseur du revêtement quelque que soit le type de drainage de l'objet (vertical, oblique ou horizontal) .
On atteint les objectifs précités avec un procédé pour réaliser un revêtement métallique sur un objet sortant d'un bain de métal fondu, dans lequel on crée au voisinage du point de sortie de l'objet un champ magnétique. Selon l'invention, l'objet sort du bain de métal fondu à travers un canal de sortie contenant un ménisque dudit bain de métal fondu, et on règle l'épaisseur du revêtement métallique en fonction d'une dérivée seconde de la courbe du ménisque et d'un nombre capillaire Ca représentant le rapport entre des forces visqueuses du métal fondu et des forces de tension superficielle à la surface du métal fondu. Cette caractéristique peut être représentée sous la forme d'une équation :
2 eQ.φz, =l,3Cα3 , e0 est l'épaisseur, φzz la dérivée seconde du ménisque et z l'axe de défilement.
L'objet devant être revêtu peut avantageusement être produit longiligne à section constante tel qu'un fil du type fil métallique ou fibre optique, ou une plaque.
Pour une plaque de faible épaisseur, on considère la forme du ménisque sur les grands côtés.
Avec un tel procédé, l'invention présente un avantage par rapport aux documents de l'art antérieur car elle exprime l'épaisseur en fonction des éléments physiques représentés dans la dérivée seconde et dans le nombre Ca qui est explicité ci-dessous.
Les propriétés du revêtement, notamment son épaisseur, résultent d'une compétition entre principalement quatre types de forces :
- les forces de gravité, proportionnelles à pg, p étant la masse volumique du métal fondu, et g l'accélération de la pesanteur;
- les forces de viscosité, proportionnelles à μV, μ étant la viscosité dynamique du métal fondu, et V la vitesse caractéristique du déplacement de l'objet par rapport au métal fondu;
- les forces de tension superficielle, proportionnelles à γ, γ étant la tension interfaciale entre le métal fondu et l'air; et
- les forces de répulsions d'origine électromagnétique entre un inducteur parcouru par un courant alternatif et le métal fondu, ces 2 forces sont proportionnelles à — , Bo étant le
2μ0 champ magnétique, μo la perméabilité magnétique du métal fondu, et Cf un coefficient tel que
avec un paramètre d'écran Rω =
Figure imgf000008_0001
μσωl2 , σ conductivité du métal, ω pulsation, et 1 une dimension caractéristique de la géométrie, telle que le rayon "r" pour un fil et la longueur capillaire "a" pour une plaque. Le nombre capillaire Ca représente le rapport entre les forces de viscosité et les forces de tension μV superficielle : Ca = . r
Selon un mode de mise en œuvre de l'invention, lors d'un drainage vertical vers le haut, le canal de sortie est dimensionne de façon à maintenir le ménisque du métal fondu dans des conditions proches de l'équilibre capillo- gravitaire sous champ magnétique. Dans ces conditions, la dérivée seconde de la courbe dudit ménisque est fonction d'un paramètre de formage électromagnétique K représentant le rapport ente les forces de tension superficielle et les forces dues à l'effet de formage
électromagnétique : K = 2MO7 CfB0 2l
Dans ce cas de drainage vertical vers le haut , et pour une plaque , l ' expression de la dérivée seconde peut être la suivante :
Figure imgf000009_0001
avec, "a" : la longueur capillaire (valeur connue)
Figure imgf000009_0002
du ménisque avec la paroi de l'objet à revêtir.
Dans le cas d'un fil, l'expression de la dérivée seconde peut être la suivante : φ^_ ≈
Figure imgf000010_0001
r est le rayon du fil; λ2 est tel que r*λ2 égal la hauteur du ménisque 12, λ2 est de préférence obtenu par calcul numérique; et Bd est un nombre de Bond représentant le rapport entre des forces de gravité et
ÛSl"2 des forces de tension superficielle : Bd ≈ —— .
Y
Il est ainsi possible de déterminer avec précision l'épaisseur du revêtement βo-
Ces équations sont établies dans le cas d'un drainage vertical vers le haut et dans la mesure où on est proche de l'équilibre capillo-gravitaire sous champ électromagnétique dans lequel les forces de pesanteur et de formage électromagnétique sont compensées par les forces de tension superficielle. On peut réaliser le canal de sortie de telle sorte que la distance annulaire est de l'ordre de la hauteur du ménisque, la distance annulaire étant la distance entre la paroi interne du canal de sortie et le revêtement métallique formé hors du ménisque. Dans le cas d'une plaque, la hauteur 12 du ménisque peut être obtenue à partir de l'expression suivante :
Figure imgf000010_0002
Selon une variante de l'invention, lors d'un drainage vertical vers le bas, la dérivée seconde de la courbe dudit ménisque est fonction :
- du rapport entre l'épaisseur moyenne dudit objet et l'ouverture du canal de sortie; et
- du rapport entre la vitesse d'Alfen et la vitesse de drainage dudit objet. La vitesse d'Alfen UA est donnée par l'expression
uA Dans cette première variante selon
Figure imgf000011_0001
l'invention, une expression de la dérivée seconde de la courbe du ménisque dans le cas d'un fil par exemple peut
être la suivante : φ,, avec RI rayon
Figure imgf000011_0002
du fil, RO rayon de l'ouverture du canal de sortie, V0 la vitesse de défilement du fil, et α un terme traduisant l'influence de l'écoulement de Couette et égal à :
Figure imgf000011_0003
Selon un mode de mise en œuvre de l'invention, on réalise le canal de sortie de telle sorte que le ratio du rapport entre l'épaisseur moyenne dudit objet et l'ouverture du canal de sortie est supérieur ou égal à 0,8 pour ne pas déployer des champs intenses.
Dans le cas d'un fil circulaire, l'épaisseur moyenne est le diamètre. Dans le cas d'un fil non circulaire, l'épaisseur moyenne est une valeur estimée.
Une particularité de la présente invention est d'éviter l'influence de la gravité. Ainsi, contrairement à certains procédés de l'art antérieur qui créent un champ magnétique agissant dans la couche de revêtement déjà formée, le champ magnétique selon l'invention agit directement sur le ménisque.
Suivant l'invention, le champ magnétique peut être alternatif stationnaire, et on peut avantageusement le créer au moyen d'un inducteur plat. On peut utiliser un inducteur du type "Pancake".
L'invention est ainsi remarquable par le fait que le champ magnétique crée n'est actif que sur une faible hauteur du métal fondu formant le revêtement. Ainsi l'élévation de la température du revêtement due au champ magnétique est avantageusement faible par rapport, par exemple, au procédé proposé par le Centre de Recherches Métallurgiques de Liège cité ci-dessus.
En effet, à titre de comparaison, en utilisant les formules établies par le Centre de Recherches Métallurgiques, dans les conditions suivantes :
- pour une épaisseur visée de 10 μm, - pour une vitesse de ligne de 60 m/min,
- dans le cas d'un mouillage total, θe = 0, on obtient une intensité de champ magnétique B0 = 0.71T et une élévation de température de ΔT ≤100°C par la méthode du Centre de Recherches Métallurgiques. Avec les mêmes conditions que ci-dessus, le procédé selon l'invention permet d'obtenir : B0 = 0.078T et ΔT = 7°C.
De préférence, le champ magnétique est créé au moyen d'un courant alternatif dont la fréquence est telle que le rapport entre la longueur capillaire et l'épaisseur de peau magnétique dans le revêtement métallique est supérieur ou égal à trois.
Selon une autre variante de l'invention, dans le cas d'un drainage horizontal avec un canal de sortie contenant un ménisque obtenu en appliquant un champ glissant dans le bain de métal fondu, la dérivée seconde de la courbe du ménisque est fonction d'un nombre de Bond Bd représentant le rapport entre des forces de gravité et ngP les forces de tension superficielle : Bd = . Dans
Y cette seconde variante, on se sert avantageusement des enseignements tirés du document EP 0 720 663 Bl .
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, on utilise des moyens de pression ou de pompage électromagnétique du métal fondu pour maintenir l'altitude du ménisque dans le canal de sortie, ceci permettant de compenser la consommation continue du métal fondu dans la réalisation dudit revêtement.
L'invention concerne également un dispositif pour réaliser un revêtement métallique sur un objet sortant d'un bain de métal fondu. Le dispositif comprend des moyens pour créer un champ magnétique au voisinage du point de sortie dudit objet. Le dispositif peut comprendre un canal de sortie contenant un ménisque dudit bain de métal fondu, ainsi que des moyens pour régler l'épaisseur du revêtement métallique en fonction d'une dérivée seconde de la courbe du ménisque et d'un nombre capillaire Ca représentant le rapport entre des forces visqueuses du métal fondu et des forces de tension superficielle à la surface du métal fondu.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'une enceinte contenant un métal fondu et traversée verticalement par un fil métallique, le métal fondu pouvant être déplacé au moyen d'un gaz; la figure 2 est une vue en coupe simplifiée d'une enceinte contenant un métal fondu et traversée par un fil métallique, le métal fondu pouvant être déplacé au moyen d'un piston;
- la figure 3 est une vue en coupe simplifiée d'une enceinte composée de deux sous enceintes dont l'une est traversée par le fil métallique, le métal fondu pouvant être déplacé au moyen de pompes électromagnétiques;
- la figure 4 est une vue en coupe simplifiée identique à celle de la figure 1, mais avec un canal de sortie dirigé verticalement vers le bas; - la figure 5 est une vue schématique du ménisque dans le canal de sortie; et
- la figure 6 est un graphe représentant l'épaisseur du revêtement en fonction des nombres sans dimension (Ca, Bd et K) sous forme de nappes .
En se référant plus particulièrement à la figure 1, le dispositif selon l'invention comprend une enceinte 1 composée d'une façon générale de deux volumes la et lb dont les faces supérieures sont alignées . Le premier volume la, jouant le rôle d'un réservoir, est de forme parallélépipédique rectangle. Ce réservoir la alimente par un couloir ascendant le second volume lb de hauteur plus petite et de longueur plus grande par rapport aux dimensions du premier volume. Le couloir d'alimentation est réalisé au moyen d'une barrière 8 verticale, de hauteur supérieure à celle du second volume lb, fixée à la face supérieure du premier volume la de façon à laisser un passage par le fond du volume la vers le second volume lb.
L'enceinte 1 contient un métal fondu 5 tel que par exemple du zinc ou de l'étain. Un canal d'alimentation 2 est disposé sur la face supérieure du premier volume la afin de réaliser une pression sur la surface 7 du métal fondu 5 au moyen d'un gaz injecté dans ce canal d'alimentation 2. La pression exercée par un gaz à travers le canal d'alimentation 2 permet de repousser le métal fondu du premier volume la vers le second volume lb et de compenser ainsi la perte de métal fondu servant à la galvanisation. Cette galvanisation est opérée sur un fil métallique 4 en acier par exemple disposé verticalement dans le second volume lb proche du bord extérieur. Des moyens de défilement externes (non représentés) permettent le déplacement vers le haut du fil métallique 4 qui pénètre dans le second volume lb par une face horizontale et ressort par un canal de sortie 3 disposé sur la face supérieure de ce volume lb. Le canal de sortie 3 est de forme annulaire et est dimensionne de sorte que le métal fondu pénètre jusqu'à une certaine hauteur en formant un ménisque 6. Le fil métallique 4 passe au centre du canal 3. Selon l'invention, un inducteur 9 plat de type "Pancake" est disposé autour du canal 3 au niveau du ménisque 6. L'inducteur 9 est alimenté par un courant alternatif de façon à créer un champ magnétique alternatif stationnaire qui influence le métal fondu au niveau du ménisque 6. On utilise un inducteur plat car la hauteur minimale Δz de métal fondu au niveau du ménisque que le champ magnétique doit traverser pour que l'effet électromagnétique créé soit achevé, est très faible.
A titre d'exemple, on considère la configuration suivante :
V0 = Im/s Vo étant la vitesse de déplacement du fil métallique; B0 = 0,05 T Bo étant l'intensité du champ magnétique; p = 7*103 kg/m3 p étant la masse volumique du métal fondu;
R0 = 4,3*10~3 R0 étant le rayon interne du canal de sortie 3.
A partir de la formule Δz = , on
Figure imgf000015_0001
obtient une hauteur d'environ 11,4 mm.
Δz étant très faible, on peut donc utiliser avantageusement un inducteur plat pour un champ magnétique alternatif. Ce champ magnétique induit une force de pression au niveau du ménisque 6. Le saut de pression entre le ménisque et l'air est donné par l'expression : Λp = — -F(-~) 2μQ dm avec "a" la longueur capillaire, δm l'épaisseur de peau électromagnétique, et
F une fonction continue tendant vers zéro lorsque a/δm tend vers zéro, et tendant vers 1 lorsque a/δm est supérieur ou égal à trois. Ainsi pour avoir une efficacité maximale de la pression sur le ménisque 6, on a „ doit respecter au moins — = 3, donc F maximale, égale 1. δm
A cet effet, pour le zinc dont la tension superficielle γ = 0,75 N , et p = 6900 kg/m3 , on obtient a = 3,3mm, soit δm proche de 1mm. D'une part, ceci permet de déterminer avantageusement la valeur de la fréquence du champ magnétique, soit une valeur supérieure à 100 kHz. L'invention est remarquable dans le sens que 1 ' élévation de température ΔT du fil métallique due à l'action du champ magnétique est ici minimisée, ceci étant en partie dû au fait que le bilan thermique s'applique à une hauteur soumise au champ magnétique Δz très faible.
A titre d'exemple, en reprenant les valeurs ci- dessus et en utilisant la formule :
B2 1 àz
ΔT = μ^δm pCp R,V0 avec une conductivité électrique σ = 2*10δ (Ωm)-1, et une capacité calorifique du fil métallique Cp = 500 J/kgK.
On obtient une élévation de température ΔT proche de 2.6°K, ce qui très faible.
La figure 5 permet de visualiser certains paramètres caractéristiques au niveau du ménisque. Ainsi on distingue l'épaisseur e0 du revêtement formant une couche périphérique autour du fil métallique 4. Lorsque le ménisque 6 atteint la largeur e0, on définit à ce point un angle θe qui varie en fonction du niveau du mouillage du métal fondu. La hauteur du ménisque est donnée par rλ2. A partir de l'équation de l'épaisseur du revêtement
, _ , -, . βo 1.3cos3 éfe 1 pour un fil métallique : — = Ca r on peut
T 1
Bd.A-, + cos<
2 K établir une représentation des épaisseurs en fonction des nombres sans dimension définis plus haut : Ca (nombre capillaire) , Bd (nombre de Bond) et K (paramètre de formage électromagnétique) . Cette courbe est représentée sur la figure 6 sous forme de nappes distinctes en fonction de Bd dans un espace tridimensionnel dont les repères sont 1/K, Ca et eo/r. Cette courbe peut servir d'abaque pour la réalisation de revêtement sur un fil. Pour maintenir l'altitude du ménisque et éviter qu'il n'y ait plus de métal fondu dans le canal de sortie 3, on prévoit un dispositif externe pour injecter du gaz dans le volume la à travers le canal d'alimentation 2 et repousser le niveau 7 vers le bas en fonction de la quantité de métal fondu consommée pour réaliser le revêtement .
Ce maintien du niveau du ménisque 6 peut également être réalisé au moyen d'un dispositif semblable à celui de la figure 1 mais en remplaçant le canal d'alimentation de gaz 2 par un piston 10 plongeant dans le métal fondu 5 dans le volume la flanqué de parois verticales 11 et 12.
Le maintien du niveau du ménisque 6 peut encore être réalisé au moyen d'un dispositif tel qu'illustré sur la figure 3 dans lequel l'enceinte 1 comprend deux volumes distincts 13 et 14 reliés simplement par un couloir 15 de faible section par rapport aux deux volumes. Le volume 14 est placé à une altitude supérieure au fond du volume 13 de sorte que le couloir 15, relié au fond du volume 13, est incliné vers le haut pour se connecter au fond du volume 14. Le fil métallique 4 traverse verticalement de bas vers le haut le volume 11 en sortant par le canal de sortie 3 réalisé sur la face supérieure du volume 14. Pour compenser la consommation du métal fondu, on a placé des pompes électromagnétiques 16 et 17 de part et d'autre du couloir 15 de façon à pomper le métal fondu vers le volume 14.
Enfin, la figure 4 illustre un dispositif semblable à celui de la figure 1, mais avec un canal de sortie 3 réalisé sur la face inférieure du volume lb . Le sens de déplacement du fil métallique 4 est ici du haut vers le bas .
On a démontré que les formules obtenues pour la détermination de l'épaisseur du revêtement peuvent être utilisées dans des configurations de drainage vertical vers le haut ou vers le bas, de drainage horizontal et de drainage oblique.
L'invention décrite ci-dessus permet ainsi de régler de manière très précise et efficace avec une puissance nécessaire faible et une élévation de température également faible, l'épaisseur d'un revêtement métallique sur un objet dont le diamètre (ou l'épaisseur) peut être très faible. L'objet revêtu peut être, de façon non limitative, une plaque, un fil circulaire ou non, un tube rond, ovale ou carré.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour réaliser un revêtement métallique sur un objet (4) sortant d'un bain de métal fondu (5), dans lequel on crée au voisinage du point de sortie de l'objet un champ magnétique, caractérisé en ce que l'objet sort du bain de métal fondu à travers un canal de sortie (3) contenant un ménisque dudit bain de métal fondu, et en ce qu'on règle l'épaisseur du revêtement métallique en fonction d'une dérivée seconde de la courbe du ménisque
(6) et d'un nombre capillaire Ca représentant le rapport entre des forces visqueuses du métal fondu et des forces de tension superficielle à la surface du métal fondu.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors d'un drainage vertical vers le haut, le canal de sortie (3) est dimensionne de façon à maintenir le ménisque (6) du métal fondu dans des conditions proches de l'équilibre capillo-gravitaire sous champ magnétique, et en ce que la dérivée seconde de la courbe dudit ménisque (6) est fonction d'un paramètre de formage électromagnétique K représentant le rapport ente les forces de tension superficielle et les forces dues à l'effet de formage électromagnétique.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise le canal de sortie de telle sorte que la distance annulaire est de l'ordre de la hauteur du ménisque, la distance annulaire étant la distance entre la paroi interne du canal de sortie et le revêtement métallique formé hors du ménisque.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors d'un drainage vertical vers le bas, la dérivée seconde de la courbe dudit ménisque (6) est fonction : - du rapport entre l'épaisseur moyenne dudit objet et l'ouverture du canal de sortie (3); et
- du rapport entre la vitesse d'Alfen et la vitesse de drainage dudit objet.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 et 4, caractérisé en ce qu'on réalise le canal de sortie de telle sorte que le ratio du rapport entre l'épaisseur moyenne dudit objet et l'ouverture du canal de sortie (3) est supérieur ou égal à 0,8.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champ magnétique est alternatif stationnaire, et est créé au moyen d'un inducteur plat (9) .
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champ magnétique est créé au moyen d'un courant alternatif dont la fréquence est telle que le rapport entre la longueur capillaire et l'épaisseur de peau magnétique dans le revêtement métallique est supérieur ou égal à trois .
8. Procédé selon la revendication 1, pour un drainage horizontal avec un canal de sortie contenant un ménisque obtenu en appliquant un champ glissant dans le bain de métal fondu, caractérisé en ce que la dérivée seconde de la courbe dudit ménisque (6) est fonction d'un nombre de
Bond Bd représentant le rapport entre des forces de gravité et les forces de tension superficielle.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise des moyens de pression sur le métal fondu pour maintenir l'altitude du ménisque dans le canal de sortie.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise des moyens de pompage électromagnétique (16, 17) du métal fondu pour maintenir l'altitude du ménisque dans le canal de sortie.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'objet est un produit longiligne à section constante.
12. Dispositif pour réaliser un revêtement métallique sur un objet (4) sortant d'un bain de métal fondu (5), comprenant des moyens pour créer un champ magnétique au voisinage du point de sortie dudit objet, caractérisé en ce qu'il comprend un canal de sortie (3) contenant un ménisque dudit bain de métal fondu, et en ce qu'il comprend en outre des moyens pour régler l'épaisseur du revêtement métallique en fonction de la dérivée seconde de la courbe du ménisque (6) et d'un nombre capillaire Ca représentant le rapport entre des forces visqueuses du métal fondu et des forces de tension superficielle à la surface du métal fondu.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que, dans le cas d'un drainage vertical vers le haut, le canal de sortie est tel que la distance annulaire est de l'ordre de la hauteur du ménisque, la distance annulaire étant la distance entre la paroi interne du canal de sortie et le revêtement métallique formé hors du ménisque.
14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que, dans le cas d'un drainage vertical vers le bas, le canal de sortie est tel que le ratio du rapport entre l'épaisseur moyenne dudit objet et l'ouverture du canal de sortie (3) est supérieur ou égal à 0,8.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que le champ magnétique est alternatif stationnaire et les moyens pour le créer comprennent un inducteur plat.
16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend des . moyens de pression (2, 10) du métal fondu de façon à maintenir l'altitude du ménisque dans le canal de sortie.
17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de pompage électromagnétique (16, 17) du métal fondu de façon à maintenir l'altitude du ménisque dans le canal de sortie.
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