Brevet FR2355076A1 — publié le 19780113

L'invention concerne la fabrication des ronds a beton, et plus particulièrement le traitement thermique final dans la chaude de laminage qui permet de leur conférer les qualites requises pour l'usage auquel ils sont destinés. Les ronds à béton sont utilisés dans le bâtiment et la construction d'ouvrages d'art, soit tels quels, soit sous forme d'armatures préfabriquées ou de produits préfabriqués tels que dalles, poteaux, conduits. Les prescriptions imposes concernent généralement la limite d'élasticité et la ductilité (allongement minimum, essai de pliage). L'aptitude au soudage peut être également requise pour certaines catégories de produits. On peut actuellement distinguer, de maniere schématique, deux grandes familles de ronds à beton - les fils ou barres soudables (teneur en carbone inferieure à 0,25 X et contrôle de la composition), dont la limite d'-asticite est portée a un niveau suffisant après laminage par un écrouissage à froid judicieux (torsadage, crantage), - les fils ou barres naturellement durs, c'est-à-dire dont la limite d'élasticité après laminage est suffisante pour ne pas exiger d'écrouissage à froid (crantage réalise à chaud sur la derniere cage du train). Cette famille comprend elle-meme des aciers à teneur en carbone de l'ordre de O,25e0,35 %, contenant éventuellement certains élements résiduels (élaboration au four électrique à partir de ferrailles).Ces aciers sont donc souvent difficilement soudables, des aciers a plus faible teneur en carbone que les précédents et dans lesquels la diminution de la teneur en carbone est compensée, en ce qui concerne la limite d'elasticite, par des éléments de microalliage (V, Nb) susceptibles d'apporter un durcissement par précipitation au cours du refroidissement faisant suite au laminage. 11 est évidemment tentant, du point de vue économique, de rechercher des aciers naturellement durs, sans éléments de microalliage et possédant simultanément une haute limite d''elasticité, une ductilite satisfaisante et, si possible, unè bonne soudabilité. Tous les ronds à béton prémentionnés ont une structure ferrito-perlitique et on peut évidemment songer a améliorer la limite d'élasticité de ces structures en affinant le grain ferrito-perlitique par une accélération du refroidissement en fin de laminage. Si les fourchettes de composition des coulées laminées ne sont pas suffisamment étroites, on court cependant le risque d'obtenir une certaine quantité de bainite dans la structure, ce qui peut être prejudiciable tant pour la limite d'élasticité que pour la ductilité. La solution la plus intéressante consisterait à obtenir une structure essentiellement bainitique ou martensitique, suffisamment revenue pour avoir une ductilite satisfaisante. Un premier pas a été recemment tenté en ce sens, tout en cherchant à éviter l'opération supplementaire de revenu. Ce procédé consiste à effectuer, à la sortie de la dernière cage finisseuse, un refroidissement énergique des ronds, de manière à faire apparaître de la martensite en peau. Cette trempe fait place à un refroidissement naturel à l'air libre avant que la transformation martensitique ait concerné environ le tiers du diamètre. Le flux de chaleur émanant par conduction du coeur du rond est suffisant pour produire un autorevenu de la martensite périphérique tandis que le coeur se transforme de manière quasi-isotherme en grains fins de ferrite-perlite. En pratique, ce procédé peut être délicat à mettre en oeuvre car il necessite un très bon contôle des conditions de refroidissement, et des fourchettes de composition de l'acier lamine assez étroites, en particulier en ce qui concerne les éléments augmentant fortement la trempabilité (manganèse, chrome....) Le but de la présente invention est donc de décrire un traitement thermique dans la chaude de laminage permettant d'améliorer les caractéristiques mécaniques des ronds à beton, d'une part sans condition de refroidissement trop critiques et, d'autre part, applicable même lorsque les compositions utilisées varient dans des proportions assez larges (elements résiduels ou additions intentionnelles). A cet effet l'invention a pour objet un refroidissement au défilé dans la chaude de laminage, accéléré et contrôlé pour donner lieu à une structure sensiblement uniforme dans toute la section du rond. Suivant une variante d'exécution du procedé selon l'invention, la vitesse de refroidissement des ronds est légèrement inferieure à celle permettant d'obtenir de la bainite et la structure finale est constituee de grains fins de ferrite-perlite comportant une forte proportion de perlite. Suivant un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, la vitesse de refroidissement est suffisamment élevee pour obtenir à coeur du rond de la martensite avec eventuellement un peu de bainite. Dans ce cas, le procédé prévoit un revenu de la martensite immédiatement après la transformat tion avant que les ronds n'arrivent en fin de refroidissoir. Pour la mise en oeuvre du traitement thermique selon l'invention, le train est muni, après la derniere cage, de moyens permettant d'effectuer un refroidissement rapide au défile et un court revenu amorcé au défilé et poursuivi sur refroidissoir dans une zone adjacente. Nous avons vu que deux types de structures métallographiques peuvent être interessants actuellement pour le rond à béton naturellement dur : la ferrite-perlite à grains très fins obtenue à la limite du domaine bainitique et la martensite revenue. On peut également concevoir des structures bainitiques non revenues pour des aciers à teneur suffisamment basse en carbone et dont les teneurs en eléments tels que Cr, Ni, Cu permettent de dégager un assez large domaine bai ni tique sur les courbes de transformation. La première variante du procédé selon l'invention (structure ferritoperlitique) sera reservée aux ronds à béton de composition chimique bien contrôlée notamment de-gros diamètre. Elle est alors avantageuse puisqu'elle ne necessite qu'un refroidissement contrôlé facile à déterminer à partir de la courbe de transformation de ltacier consideré. Cette variante peut être utilise avec des aciers contenant des eléments de microalliage (V, Nb, Ti. ..) La vitesse de refroidissement au moment de la transformation devra etre aussi voisine que possible de celle permettant d'obtenir une structure ferrito-perlitique à la limite diapparition de la bainite ; en variante, il sera particulièrement avantageux de contrôler la vitesse de refroidissement au cours de la transformation pour supprimer la recalescence liée à l'enthalpie de transformation. Le refroidissement accéléré peut être interrompu dès la fin de transformation pour faire place, par exemple, à un refroidissement plus lent sur refroidissoir classique. La seconde variante du procédé selon l'invention a l'avantage de pouvoir être mise en oeuvre dans tous les cas, sauf peut être pour les plus gros diamètres en nuances peu trempantes, et de conduire assez simplement aux meilleurs compromis de caractéristiquesécaniques. Il suffit en effet de refroidir avec une vitesse assez grande pour obtenir dans la section du rond une structure essentiellement martensitique, ou bainitique si la composition de l'acier s'y prête. Pour ce traitement, la présence d'elements résiduels n'est pas gênante, puisqu'elle augmente la trempabilité de l'acier. La structure martensitique doit évidemment être revenue, mais les conditions de revenu peuvent être ajustées dans une assez large mesure. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de ce traitement, le revenu est effectue sans que la trempe soit nécessairement prolongée jusqu'à la température ambiante : le refroidissement initial peut être ainsi interrompu environ 150 - 2000C au dessouswde la température M5 de l'acier. Les barres sont alors très rapidement réchauffées en ligne, entre 450 et 700"C, par exemple en défilant au centre d'un ou plusieurs inducteurs ou sur des contacts adéquats permettant le chauffage par effet Joule. On peut alors, par exemple, distribuer à l'aide de canalettes les barres ainsi chauffées sur un refroidissoir modifié : la première zone de ce refroidissoir, a vitesse d'avancement des barres plus ou moins lente, est surmontée d'un système, éventuellement un four, permettant le maintien et le contrôle du revenu (450 - 7O00C pendant quelques minutes), tandis que la derniere zone du refroidissoir assure un refroidissement naturel des barres. Le procédé selon l'invention, dans ses deux variantes, est mis en oeuvre immédiatement après la dernière cage de laminage et ne devrait donc pas avoir d'incidence sur la cadence de production. L'invention sera de toutes façons bien comprise en se rapportant à la description qui va suivre, donnee à titre d'exemple en référence aux planches de dessin annexées, sur lesquelles - la figure 1 représente un diagramme type de transformation sur lequel est schematisé le cycle thermique correspondant à la premiere variante d'exécution du procédé selon l'invention, avec ou sans "suppression" de la recalescence (courbes A et B), - la figure 2 represente un autre diagramme type transformation sur lequel est schématisé le cycle en peau et -à coeur (courbes P et C) correspondant au deuxième mode de réalisation de.l'inventiton, - les figures 3a et 3b schématisent différents dispositifs permettant de mettre en oeuvre la seconde variante du procéde selon l'invention, et donc à fortiori la première. Afin de mieux mettre en evidence le choix de l'une des variantes en fonction de la composition de l'acier à traiter, les diagrammes de transformation reproduits sur les figures 1 et 2 correspondent à des aciers ayant sensiblement la meme teneur en carbone (inférieure à'0,3 %), mais celui de la figure 2 correspond, contrairement au premier, à une coulee présentant des quantités non négligeables d'elements résiduels. Sur les figures 1 et 2, les références 1, 2, 3, 4 correspondent respectivement aux domaines de la ferrite, de la perlite, de la bainite et de la martensite. Sur la figure 1, la courbe B reproduit un refroidissement accéléré au voisinage du domaine bainitique poursuivi, à partir du point R, par un refroidissement naturel plus lent sur refroidissoir. On constate que la transformation de l'austénite en perlite fine peut se traduire par une remonté momentanée, plus ou moins forte suivant le diametre des barres traitées, de la température (recalescence).En dosant la puissance de refroidissement en cours de transformation, par exemple grâce au défile des barres au travers de refroidisseurs annulaires à débit d'eau variable, il est possible, à l'extrême, de suivre la loi de refroidissement repérée A, donc d'obtenir, notamment pour les gros diamètres, de la perlite plus fine que celle obtenue suivant la loi B, donc correspondant a de meilleures caracteristiques mécaniques. Comme pour la loi B, le refroidissement contrôlé du cycle A a été interrompu en R, après transformation, pour être prolonge par le refroidissement naturel sur refroidissoir.On voit que l'utilisateur, lorsque la fourchette de composition de ces aciers est reduite et notamment lorsque leur trempabîlité est faible ou le diamètre des barres important;, peut facilement, connaissant l'efficacité du dispositif de refroidissement acceléré, mettre en oeuvre la première variante du procédé en se reportant aux courbes de transformation des aciers considérés. Sur la figure 2, la seconde variante du procédé selon l'invention est representee par le cycle thermique D, qui présente deux branches Pet C correspondant respectivement aux loirs de refroidissement d'une barre en peau et à coeur. a branche C peut eventuellement, comme c est le cas sur la figure 2, couper en partie le domaine bainitique. Les deux branches P et C se rejoignent évidemment vers les basses températures, une fois le refroidissement accéléré interrompu. Sur la figure 2, ceci a eté effectué a une température inférieure d'environ 200 C a la température M5 de l'acier et le pseudo-palier correspondant ne dure que le temps de passage de la barre au dispositif de rechauffage pour le revenu. Si ce réchauffage s'effectue par induction, la température de peau augmente plus rapidement que celle à coeur, comme c'est le cas sur la figure 2. Après maintien quelques minutes du rond à la température choisie pour le revenu, dans la zone amenagee du refroidissoir, on laisse le refroidissement final s'effectuer a l'air libre sur la dernière zone du refroidissoir. Il faut noter que la condition relative a la structure essentiellement martensitique n'est pas impérative, les conditions de revenu de structures mixtes bainite-martensite pouvant être ajustées, par exemple en fonction de la dureté avant revenu. Lorsque les ronds à beton ont une composition mal controlée et une trempa bilité suffisante, compte tenu du diamètre envisagé et de l'efficacité du refroidissement accelere, l'utilisateur a evidemment intérêt à mettre en oeuvre cette seconde variante du procéde. Ce sera généralement le cas pour des aciers à teneurs fortes et fluctuantes en éléments (résiduels ou non) agissant fortement sur la trempabilité, comme le montre d'ailleurs la comparaison des courbes de transformation des figures 1 et 2, les vitesses de refroidissement initiales necessaires devraient etre de l'ordre de 50 à 1000C/s. Les figures 3a et 3b représentent deux schémas d'un dispositif de mise en oeuvre de la seconde variante du procédé selon l'invention, conformément aux prescriptions précédentes Seule la derrière cage finisseuse 5 du train a eté représentée et les moyens d'entraînement sont schématisés par les rouleaux 14. Le refroidissement accéléré et contrôle au défile, premier poi-nt du traitement thermique selon les deux variantes de l'invention, est effectue dans une serie de refroidisseurs annulaires à l'eau 6, séparés par des espaces d'homogénéisation de température 7.Les ronds 15 sortent des dernières boîtes à eau vers 150 - 200"C puis sont soumis à un court revenu qui peut être effectué par tout moyen approprié ne ralentissant pas la cadence de laminage. Sur la figure 3a, par exemple, le préchauffage est effectue au défilé par passage des ronds, quelques secondes apres la dernière boîte à eau 6, dans une ou plusieurs bobines d'induction 8 disposees en ligne avant les canalettes d'un refroidissoir à rateaux 9. Ce refroidissoir comprend plusieurs zones de traitement : les zones 11, 12, 13 sortes de tunnels chauffants permettent le revenu de quelques minutes du rond à la température de revenu désirée (environ 4500 à 650"C), tandis que la zone 16 permet le refroidissement naturel à l'air des ronds traités.Il est évident que les tunnels chauffants peuvent être aménagés, par exemple par surindexation en température à l'entrée et régulation de la vitesse de passage des ronds sur rateaux, pour réduire partiellement ou totalement l'intérêt des inducteurs en ligne. La figure 3b schématise une installation très voisine de celle présentée à la figure 3a, mais le préchauffage au defile par induction y est remplacé par un chauffage par effet Joule des ronds au passage sur des rouleaux avec des dispositifs judicieux d'amenee du courant. Les dispositifs mis en oeuvre pour le revenu ne doivent pas réduire la cadence de production de l'installation tout en assurant un revenu relativement contrle, avec dépassement local de la température Ac1, et uniforme dans la section des ronds. Compte tenu de la vitesse due laminage des trains modernes qui est supérieure a 20 m/s pour des ronds de 8 mm de diamètre, on ne peut esperer effectuer entièrement le revenu en ligne, sans profiter par exemple du ralentissement contrôle des barres sur refroidissoir, mais d'autres dispositifs que ceux decrits sont evidemment envisageables en respectant les impératifs prémentionnés. Dans ces conditions, le procédé selon l'invention permet, pour une large gamme de compositions et de prescriptions, d'obtenir des ronds à béton de qualite satisfaisante à l'aide d'un traitement dans la chaude de laminage qui a l'avantage essentiel de ne pas affecter la cadence donc la rentabilité de l'installation. REVENDICATIONS 1- Procede de refroidissement contrôlé, dans la chaude de laminage des ronds à béton caractérisé en ce que l'on effectue un refroidissement accéléré permettant d'obtenir une structure sensiblement uniforme dans la section des ronds. 2 - Procedé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la vitesse de refroidissement est légèrement inférieure à celle permettant d'obtenir de la bainite, de manière à obtenir des grains fins de ferrite-perlite et une quantiti importante de perlite fine, et en ce que l'on supprime éventuellement la recalescence liée à la transformation. 3-Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la vitesse de refroidissement est suffisamment elevee pour obtenir essentiellement de la martensite et éventuellement un peu de bainite. 4 - Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que, le refroidis sement accelere est interrompu avant retour a la température ambiante, à envira 150 à 200"C en dessous de la température du point Ms de l'acier considére, et E ce que l'on effectue un court revenu de la martensite. 5 - Trains à ronds pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendicatis 1, caractérisé en ce qu'il est muni de moyens permettant d'effectuer un refroi dissement rapide en ligne après la derniere cage. 6 - Trains à ronds pour la mise en oeuvre du procedé selon la revendicati 4, caractérisé en ce qu'il est muni de moyens permettant d'effectuer un revenu de la martensite, disposés en ligne, in-imédiatement après la zone de refroidissement rapide, et sur la premiere zone d'un refroidissoir adjacent.