Brevet FR2415147A1 — publié le 19790817

La présente invention concerne 4es erfeettonnements apportés à des systèmes servant à traLter thermiquement une longueur continue en mou > ement de tôle ou de bande métallique qui est chauffée par des courants électriques la traversant pendant son déplacement passant par plusieurs postes de traitement entre des rouleaux ou des poulies de transport ou de guidage auxquels des tensions électriques sont appliquées. L'invention est un perfectionnement apporté au brevet canadien nO 1.004.303 du 25 janvier 1977 et au brevet des Etats Unis dXAmérique no 3.792.684 du 19 février 1974. L'invention vise à améliorer les systèmes connus et, en particulier, les systèmes décrits dans le brevet des Etats Unis d'Amérique de Cook nO 2.457.870 du 4 janvier 1949 et autres. Bien que ce brevet décrive le chauffage par résistance d'un fil électroconducteur dans des postes successifs de longueurs allant en diminuant pour compenser la résistivité du fil croissant à mesure qu'il se déplace de l'entrée vers la sortie du système, à l'aide de l'énergie fournie par du courant alternatif, de graves difficultés surgissent lorsqu'on cherche à utiliser ce système pour chauffer par résistance des longueurs de matière conductrice plus larges ou des longueurs de matière ayant un rapport largeur: épaisseur important, lorsqu'elles sont enfermées dans des chambres métalliques contenant des gaz protecteurs utilisés pour le traitement thermique. L'invention vise à éviter ces difficultés en utilisant de l'énergie de courant continu qui empêche toute induction de courant dans les parois du conduit en tôle délimitant les chambres qui entourent la bande en mouvement, ce qui augmente l'efficacité de l'installation tout en réduisant au minimum les frais d'investissement et les frais d'entretien. Le courant continu alimente au moins trois rouleaux électrifiés, les rouleaux successifs étant de polarités opposées. L'utilisation de courant continu permet de placer le conduit en tôle près de la bande en mouvement de telle sorte que la chaleur rayonnante provenant de cette bande soit confinée dans un espace relativement restreint et que les quantités de gaz qui réagissent avec la tôle en mouvement et/ou avec les revêtements formés sur cette tôle soient en conséquence réduites. Les chambres destinées à contenir le métal en mouvement, qui n'exigent aucune source de chaleur extérieure, sont donc caractérisées par une inertie thermique minimale et sont à même de résister à des opérations d'arrêt et au remise en route rapides sans perte de temps, d'énergie et de gaz appréciable. L'invention a pour but de procurer une installation très compacte et très économique pour le traitement thermique de longueurs continues de bandes métalliques ou de tôles impliquant des apports de chaleur réglés avec précision en vue de modifier les propriétés physiques et/ou métallurgiques du métal, cette installation pouvant être complétée par des appareils supplémentaires servant à soumettre le métal à un revenu, à une trempe ou à un traitement chimique préparatoire à d'autres processus de traitement tels que refroidissement brusque, décapage ou revêtement. L'invention a également pour but de procurer un appareil pour le traitement thermique de longueurs continues de bandes métalliques ou de tôles,dont l'encombrement au sol soit réduit au minimum, qui puisse être formé d'éléments modulaires peu motteux et qui puisse être maintenu en service pendant des périodes maxima sans exiger d'arrêts onéreux lorsque surviennent des interruptions ou des pannes. L'invention a encore pour but de procurer une installation qui soit particulièrement utile pour le traitement thermique de longueurs continues de métaux, ferreux en forme de tôles, de bandes ou de feuillards, qui sont soumis à un traitement thermique préparatoire à leur revêtement au moyen d'un autre métal, comme l'aluminium, le zinc, l'étain ou un métal analogue, ce processus exigeant le nettoyage efficace de la surface du métal pourenéliminer les oxydes. Ceci nécessite le passage de la longueur de métal continue à travers des chambres contenant une atmosphère de gaz protecteur non oxydant ou réducteur qui traite la longueur de métal en mouvement au cours de son avancement vers un bain de revêtement de métal en fusion.Le gaz protecteur est introduit dans les chambres à contre-courant de la longueur de métal en mouvement, pour augmenter l'efficacité du système lorsque le létal est tout d'abord chauffé avec précision à la- tempé- rature souhaitée, puis est refroidi et ensuite trempé à chaud pour recevoir son revêtement, à mesure qu'il se déplace de l'entrée vers la sortie de l'appareil. L'invention envisage le traitement thermique économique de longueurs continues de métaux ferreux préparatoire à leur passage à travers des bains de revêtement de métal en fusion, qui sont prévus pour débarrasser le metaL des couches d'oxyde nuisibles, avec ou sans recuit du métal. vm variante, le traitement thermique des longueurs continues de métaux ferreux peut être exécuté en préparation au passage à travers des bains de refroidissement rapide du métal chauffé de manière critique, si on souhaite tremper le métal, ou à travers d'autres bains liquides par exemple des solutions décapantes et analogues. D'autres buts ressortiront clairement de la description détaillée donnée ci-après, à titre d'exemple, avec références aux dessins annexés, dans lesquels la Fig. 1 est une vue en coupe transversale schématique de l'appareil conforme à 17invention, et comprend un schéma synoptique de l'alimentation de courant, indiquant la ligne d'avancement d'une tôle continue lorsqu'elle traverse les postes de traitement thermique, les postes de refroidissement et finalement un bain de revêtement; la Fig. 2 est une vue en coupe d'une autre forme d'exécution du bain de revêtement à l'extrémité de sortie de l'appareil, comportant un rouleau de guidage monté sur charnières qui peut être relevé pendant des périodes d'arrêt;; la Fig. 3 est une vue en coupe à plus grande échelle du rouleau chargé positivement et de la barre coopérante de nettoyage abrasive qui y est associée; la Fig. 4 est une vue en coupe horizontale suivant la ligne A-A de la Fig. 3; la Fig. 5 est une vue en coupe suivant la ligne B-B de la Fig. 2, et la Fig. 6 est un graphique illustrant la relation entre la température et la résistivité drun feuillard d'acier à basse teneur en carbone. Dans le schéma de l'installation représenté sur la Fig. 1, un transformateur triphasé 23 est représenté connecté à une ligne d'alimentation triphasée L1, L2 et L3 et abaisse la tension d'alimentation à environ 100 volts dans les secondaires, la sortie du transformateur étant amenée à une batterie de redresseurs à thyristors qui redressent le courant fourni par le transformateur.On peut utiliser à cet effet aussi n'importe quel autre type de redresseur qui produit du courant continu relativement exempt d'ondulations et les éléments redresseurs peuvent entre différents des thyristors, par exemple il peut s'agir de redresseu s commandés au silicium, de diodes Zener, de cellu les au séênium, etc.Ces systmes convertisseurs de courant sont bien connus. Les conducteurs de sortie de courant continu du redresseur sont connectés à trois rouleaux de guidage ou de transport de l'installation qui sont chargés électriquement. Comme le montre la Fig. 1, le conducteur principal négatif P- est connecté aux rouleaux 2 et 7 et le conducteur positif principal P+ est connecté au rouleau 5. Les rouleaux de guidage 5 et 7 sont enfermés dans des boîtiers étanches H auxquels sont raccordés les chambres ou conduits 13a, 13b, 13c et 13d de section relativement petite, leurs parois étant disposées à proximité immédiate de la tôle en mouvement 1, comme le montre la Fig. 4. Des rouleaux de guidage supplémentaires 3, 4 et 6 alternent avec les rouleaux 2, 5 et 7 pour inverser le sens de la tôle 1 tandis qu'elle est guidée en zigzag autour du rouleau électrifié 2 et par-dessus le rouleau 3 pour entrer dans la série de conduits de la chambre réductrice. De plus, les rouleaux 8 et 9, avec les boîtiers H et les conduits 14a, 14b et 14c sont prévus pour guider la tôle chauffée à travers ces chambres de refroidissement et dans la cuve 21 qui contient un autre rouleau de guidage 10 sur lequel la tôle revêtue passe en vue d'être évacuée finale ment vers le haut d'une manière bien connue. Bien que, dans la forme d'exécution représentée aux dessins, les conduits soient disposés verticalement, ils peuvent être horizontaux ou inclinés, suivant l'espace disponible et l'agencement de l'installation.La disposition verticale des chambres de refroidissement et réductrices réduit au minimum l'encombrement au sol. Les rouleaux 3, 4 et 6 sont recouverts d'une couche 16 de matière isolante, de préférence d'une composition céramique, afin d'éviter tout jaillissement d'étincelles entre la tôle et la surface des rouleaux parce que la tôle serait sinon mise en courtcircuit au cours de son contact avec la moitié de la périphérie de ces rouleaux, entre les rouleaux de guidage qui portent des charges de polarités opposées. La tôle 1 passe en dessous du rouleau portant une charge négative 2 sur les rouleaux de guidage isolés 3 et 4 et est chauffée au contact du rouleau 5 chauffé électriquement. La tôle s'échauffe progressivement à mesure qu'elle avance vers l'extrémité de sortie de l'installation et atteint sa température maxi num à i'approche du rouleau chargé 7. Par ie fait qu'une partie de la tôle reste dans urne atmosphère nrjrmale avant de pénétrer dans les chambres réductrices par la fente 20, j'huile résiduelle peut brûler avant que la tôle pénètre dans le premier conduit isolé ou chambre 13a.Cette chambre est remplie d'un gaz réducteur qui est introduit dans le conduit par l'entrée 15 près de l'extrémité de sortie de la chambre 14c et qui est chauffé par de la chaleur prélevée de la tôle 1 qui traverse les conduits de refroidissement. Dans certaines conditions, on permet à la tôle de s'oxyder légèrement avant son entrée dans la première chambre 13a parce que la mince couche d'oxyde forme une excellente base pour l'opération de revêtement suivante. Après le premier poste de chauffage au cours de son passage dans les chambres 13a et 13b, la tôle pénètre dans le second poste après être passée sur le rouleau chargé positivement 5 et avoir franchi le rouleau de guidage 6 en direction du rouleau chargé négativement 7. Comme indiqué plus haut, la tôle atteint sa température maximum peu avant d'entrer en contact avec le rouleau 7 et, après avoir traversé le boîtier H qui enferme ce rouleau, elle pénètre dans la chambre 14a qui est la première section de refroidissement de la chambre réductrice d'où elle passe en dessous du rouleau 8 et sur le rouleau 9 en direction du bain de revêtement en fusion contenu dans la cuve 21 sans être exposée à l'atmosphère. Pour maintenir un bon contact électrique entre la tôle en mouvement et les rouleaux conducteurs 2, 5 et 7 qui se recouvrent d'impuretés, comme de l'huile carbonisée, de l'oxyde ferrique ou de l'oxyde ferreux, etc., des barres abrasives 17 sont prévues près de ces rouleaux et présentent une surface de nettoyage courbe épousant la surface latérale des rouleaux, des moyens étant prévus pour presser ces barres contre les faces des rouleaux électrifiés. La Fig. 3 est une vue à plus grande échelle du vérin pneumatique ou hydraulique 18 qui peut être actionné périodiquement pour débarrasser les surfaces latérales des rouleaux électrifiés de ces impuretés. L'introduction des gaz réducteurs par l'entrée 15 à contre-courant de la tôle en mouvement vers l'orifice de sortie 20, donne une installation sûre et de fonctionnement économique. L'espace étroit qui sépare les parois des chambres réductrices et de refr disseent 13 et 14 de la tôle en mouvement 1, comme le monter clairement les Fig. 4 et 5, donne une vitesse relativement élevée des gaz réducteurs. La vitesse élevée du gaz permet d'ufiiliser un gaz convenant moins de 19% d'hydrogène, alors que les fours réducteurs classiques opèrent avec une concentration d'hydrogène de 25 a 75%. La faible concentration d'hydrogène offre plusieurs avantages, par exemple la suppression de la nécessité d'utiliser un dissociateur d'ammoniac qui peut être remplacé par un générateur de gaz exothermique d'un fonctionnement plus simple et moins onéreux.De plus, un gaz contenant moins de 10 d'hydrogène élimine les risques d'explosion dans le cas où de l'oxygène pénètrerait accidentellement dans la chambre, parce que l'hy drogène n'est est pas inflammable lorsqu'il est dilué jusqu'à une con- centration de 10 à peine. Ceci élimine également la nécessité de prévoir des purges prolongées pendant des opérations de mise en route et d'arrêt. L'espace relativement étroit qui sépare la tôle en mouvement des parois des chambres est souhaitable en vue d'utiliser les gaz réducteurs avec-un maximum d'efficacité parce que seules les fractions de ces gaz en contact avec la tôle réagissent avec les surfaces du métal, comme décrit plus haut. Cependant, cet espace étroit produit des courants inductifs dans les parois du conduit lorsque ces parois sont en tôle classique et lorsque de larges tôles sont chauffées électriquement par résistance à l'aide de courants alternatifs, ce qui entraîne des pertes d'énergie. Les gains d'énergie obtenus à l'aide de courant continu conformément à 1invention sont appréciables comme le démontre l'exemple suivant. Lorsqu'une bande ou un feuillard en mouvement de 76,2 cm de largeur et de 0,76 mm d'épaisseur est soumis à une intensité de courant alternatif de 333 ampères/mètre, elle atteint une température de 8000C à sa sortie de la chambre réductrice. Lorsqu'on utilise du courant continu dans le même but, un courant de 256 ampères suffit pour obtenir la même température à la sortie de la chambre, tandis que la vitesse du feuillard reste inchangée dans les deux cas. Ceci représente une économie de 23% qui, avec du courant alternatif, serait perdue par suite de l'effet d'induction précité. Le courant alternatif suscite encore une autre difficulté. Au ours des expériences, on a constaté que lorsqu'un feuillard est chauffé par le procéd à "court-circuit" ou résistif utilisant du courant alternatif, la répartition de l & chaleur dans la largeur du feuillard est inégale. Les rives du feuillard son; surchauffées, tandis que le milieu du oeilillar.1 reste à une température moins élevée. Cette différence de température est proportionnelle à la largeur du feuillard, la différence de tem pérature entre le milieu et les rives du feuillard étant d'autant plus grande que le feuillard est plus large.Cet "effet de rive" est également proportionnel à la fréquence du courant alternatif; "l'effet de rive" est d'autant plus prononcé que la fréquence est plus élevée. Cela étant, l'utilisation d'énergie de courant continu assure des économies d'énergie et donne une tôle améliorée présentant des caractéristiques uniformes sur l'ensemble de sa surface. Comme le montre la Fig. 1, le premier poste de chauffage situé entre les rouleaux électrifiés 2 et 5 est beaucoup plus long que le second poste de chauffage situé entre les rouleaux électrifiés 5 et 7, en fait sa longueur est deux fois plus élevée. Ceci garantit une utilisation plus efficace de l'alimen -tation de courant, qui peut être expliquée avec référence à la Fig. 6. I1 est bien connu que la résistivité d'un conducteur est affectée par sa température. Cette relation est représentée dans le.graphique de la Fig. 6 où la résistivité d'un acier à basse teneur en carbone est portée en regard de sa température. Ce phénomène rend possible une augmentation de l'efficacité du processus exécuté par le système représenté sur la Fig. 1. Ainsi, la bande ou le feuillard en mouvement atteint le premier rouleau électrifié 2 à température ambiante et sa température augmente progressivement de sorte qu'il atteint le second rouleau électrifié positivement 5 à une température d'environ 5000C. I1 poursuit son chemin et atteint le dernier rouleau électrifié 7 à une température d'environ 1.0000C. I1 ressort du graphique de la Fig. 6 qu'à température ambiante, la résistivité du feuillard 2 est d'environ 0,18 ohms mm /m et, qu'à 5000C, la résistivité est de 0,58 ohms mm2/m, ce qui donne une moyenne de 0,38 ohms 2 mm /m.Dans le second poste, la résistivité initiale est de 0,58 ohms mm /m et à l'extrémité de ce second poste elle est de 1,17 ohms mi /m à 1.0000C. Par conséquent, la résistivité moyenne du feuillard dans le second poste est de 0,88 ohms mm2/m. Cela étant, si les deux postes doivent avoir la mtme résistivité, le rapport de longueur doit être de 0,80::0,38, c'est-à-dire que le premier poste doit avoir une longueur valant 2,1 fois celle du secona. En suivant les procédés décrits plus haut, il est possi bie de produire un feuillard galvanisé de 101,6 cm de largeur et de 0,76 mm d'épaisseur avec une consommation de courant de moins de 200 KW/tonne, ce qui représente une économie d'énergie significative comparée à un procédé classique. Comme le montre la Fig. 4, les chambres réductrices 13 peuvent être garnies d'une couche isolante 13d, tandis que les chambres de refroidissement 14 sont dépourvues d'un tel garais sage pour améliorer l'opération de refroidissement. Cette mesure contribue à l'obtention des caractéristiques souhaitables de l'invention, à savoir la faible inertie thermique. Il est par conse- quent économiquement possible de faire fonctionner les chambres réductrices par intermittence. Cependant, pendant un processus de galvanisation, il est nécessaire de maintenir le métal contenu dans le bain de zinc 21 dans un état fondu pendant de brèves périodes d'arrêt.Cependant, il n'est pas à conseiller de maintenir le feuillard relativement mince submergé dans le zinc fondu parce que le zinc le dissouderait et il serait alors nécessaire de le réintroduire dans la chambre. Par conséquent, le rouleau final 10 est monté à rotation à l'extrémité inférieure du conduit d'évacuation C qui est à son tour articulée au moyen d'une charnière 22 à l'extrémité inférieure 19 du conduit de refroidissement 14c (Fig. 2 et 5). Cette construction permet de relever le rouleau de guidage vers une position inactive pendant les périodes d'arrêt, comme indiqué en traits pointillés sur la Fig. 2. En fonctionnement, l'extrémité inférieure bridée 19 est serrée contre une bride correspondante prévue sur le conduit d'évacuation C au moyen de plusieurs étriers de serrage en "C". Le gaz réducteur introduit dans l'entrée 15 est de préférence admis à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, d'environ 2,54 cm de colonne d'eau. K E U t N b L C T I~O \ S 1. - Procédé pour traite thermiquement et électrique- ment une bande de t e continue en mouvement d'une largeur sub- stantielie par rapport à son épaisseur, lorsqu'elle traverse une atmosphère protectrice contenue dans une chambre destinée a confiner l'atmosphère et la bande, avec une perte d'énergie minimum, caractérisé en ce que :: (a) on fait suivre à la bande des trajets continus en zigzag, à une vitesse prédéterminée, partant d'une source diali- mentation située à l'entrée et aboutissant à la sortie en passant par-dessus plusieurs rouleaux de guidage espacés, (b) on applique des tensions de courant continu à au moins certains rouleaux en métal électroconducteur et ainsi à des longueurs successives de la bande pour les chauffer par résistance sans recourir à un quelconque autre chauffage extérieur à la chambre, (c) on-diminue progressivement les longueurs successives de la bande en mouvement entre son extrémité d'entrée et son extrémité de sortie pour compenser l'accroissement de sa résistivité électrique due à l'augmentation de sa température au cours de son trajet de manière à égaliser l'effet Joule qui s'exerce dans les longueurs successives, (d) on limite la quantité d'atmosphère ambiante adjacente à la bande en mouvement en confinant le déplacement de la bande à travers des boîtiers métalliques de section allongée et réduite correspondant à la grande largeur et à la faible épaisseur de la bande en mouvement, en disposant les parois des boîtiers à proximité immédiate des faces opposées et des rives opposées de la bande en mouvement, de manière à maximaliser la température des boîtiers et de l'atmosphère y contenue uniquement par la chaleur rayonnante émanant de la bande de métal en mouvement, sans qu'aucun chauffage ne soit produit par des courants induits dans les parois des boîtiers et donc sans perte d'énergie électrique, et te) on conditionne l'atmosphère ambiante en contact avec la bande en mouvement en introduisant dans les tiers, près de la sortie, un agent gazeux qui peut s'échapper près de l'entrée, de telle sorte que le gaz circule à contre-courant de la bande de tôle en mouvement. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent gazeux qui est introduit dans les boîtiers près de la sortie est un gaz réducteur qui est préchauffé par la bande sortante qui est à son tour simultanézenF refroidie par le gaz avant son passage à travers un bain de revêtement métallique. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz réducteur a une teneur en hydrogène qui ne dj passe pas 10%. 4.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la bande qui subit le traitement thermique est une tôle ferreuse qui est apprêtée en vue d'une galvanisation, suivant lequel ou introduit la tôle traitée dans un bain de revêtement de zinc en fusion sans l'exposer à l'atmosphère, en la faisant passer dans les divers postes de chauffage par résistance et en la laissant atteindre sa température de traitement maximum au terme de ce passage, puis en la refroidissant par le gaz réducteur entrant. 5.- Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la température de traitement maximum à la fin du passage dans les postes de chauffage par résistance est environ l.OOO0C. 6.- Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le gaz réducteur est formé d'environ 10% d'hydrogène et 90% d'azote. 7. Appareil servant à traiter thermiquement une tôle en mouvement ayant un rapport largeur:épaisseur élevé entre une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie à travers un espace non chauffé propre à être balayé par un gaz réducteur, caractérisé en ce qu'il comprend :: (a) plusieurs rouleaux de guidage métalliques servant à guider la tôle en mouvement suivant plusieurs trajets en zigzag allant de l'extrémité d'entrée vers l'extrémité de sortie, (b) une alimentation de courant continu comportant des connexions conductrices servant à appliquer des polarités opposées à au moins trois rouleaux de guidage en des points successifs décalés le long des trajets, servant de bornes électriques pour la tôle qui se déplace entre eux et qui peut être chauffée par le courant électrique qui les traverse, (c) des rouleaux supplémentaires entre les rouleaux de guidage pour guider la tôle suivant son trajet en zigzag, chacun de ces rouleaux comportant un recouvrement isolant sur sa surface latérale pour empêcher la mise en court-circuit de la tôle entre les rouleaux de guidage formant Dorncs é ! é!ec::riques, (d) les rouleaux de guidage adjacents à l'extrémité d'entrée sont plus largement espacés les uns des autres que les rouleaux de guidage sucessifs décalés, afin de compenser la température moins élevée de la tôle à lnextrémité d'entrée et sa résistivité plus faible qui en resulte, (e) des boîtiers étanches enfermant les rouleaux de guidage au-delà du premier rouleau ainsi que les rouleaux supplémentaires, et (f) des chambres en tôle de petite section raccordant les boîtiers étanches et dont les parois sont disposées à proximité immédiate de la tôle qui est destinée à les traverser. 8.- Appareil suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la distance séparant les rouleaux de guidage à l'extrémité d'entrée vaut environ le double de celle près de 17ex- trémité de sortie. 9.- Appareil suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu1il comprend une barre mobile présentant une surface de nettoyage courbe épousant la courbure de la surface latérale de chaque rouleau de guidage et un dispositif pour amener périodiquement la barre en contact avec la surface du rouleau à nettoyer en vue de maintenir le rouleau de guidage dans un état propre et lisse. 10.- Appareil suivant la revendication 7j caractérisé en ce que le recouvrement isolant des rouleaux de guidage est en matière céramique. 11.- Appareil suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend des rouleaux supplémentaires, des boîtiers étanches pour ces rouleaux et des chambres intermédiaires disposées au-delà du dernier rouleau de guidage formant borne électrique pour permettre le passage de la tôle en vue de son refroidissement, et une entrée pour un gaz protecteur dans la dernière chambre afin de permettre au gaz de s'écouler à contre-courant de la tôle en mouvement. 12.- Appareil suivant la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend un bain de métal en fusion à l'extrémité de sortie de la chambre finale destiné à recevoir la tôle qui en sort. 13.- Appareil suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit d'évacuation monté à pivot à l'extrémité inférieure de la chambre finale au-dessus du bain de métal en fusion, un rouleau de guidage monté à l'extrémité inférieure conuit d'évacuation, et un dispositif pour sélectivement relever le rouleau hors du bain ou pour l y abaisser afin d'exécuter opération de revêtement de la tle qui se déplace à travers l'appareil.