Brevet FR2442418A1 — publié le 19800620

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de refroidissement rapide en continu de fils métalliques portés à une température élevée. Le problème du refroidissement des fils métalliques se pose en aval de toute installation de traitement thermique en continu et, en particulier, à la sortie des recuiseurs continus ou il est nécessaire d'effectuer un refroidissement rapide du produit avant bobinage. Le problème se pose également à la sortie de certaines installations métallurgiques de coulée continue dans lesquelles le produit final, sous forme de fil machine, doit être refroidi très rapidement pour éviter la précipitation de certains composés intermétalliques. Le problème est résolu, habituellement et, dans certaines limites, avec les fils de cuivre ou d'aluminium par des systèmes à fluide sous pression élevée, tels que celui qui est décrit dans le brevet français n" 2 261 816, au nom d' ALUMINIUM PECHINEY, ou par des systèmes d'arrosage, sous forte pression par une émulsion d'eau et d'air comprimé tel que celui qui est décrit dans le brevet français n" 2 290 977 au nom de BERTIN et Cie. Les difficultés sont accrues lorsqu'il s'agit de refroidir des fils ayant des températures de recuit relativement élevées, supérieures à 5oye0, par exemple comme les laitons ou les aciers. La solution consistant à faire passer le fil chaud dans une boSte- à eau équipée - ou non - d'un système de circulation à contrecourant s'avère inefficace car le fil s'entoure immédiatement d'une gaine de vapeur qui l'isole thermiquement du flux d'eau de refroidissement, et il sort encore très chaud de la boîte à eau. Si l'on considère un fil de laiton de 5,5 nan de diamètre, passant à une vitesse de 5 mètres par seconde dans un recuiseur continu, où il est chauffé par induction sous une tension de 70 volts et une intensité de 6000 ampères, soit 0,42 MEegawatts, et refroidi dans un dispositif d'une longueur de 0,5 mètre, on calcule que le flux thermique à évacuer est égal à 0,42/0,5 x 3,14 x 5,5.10 3 = 48,5 MW/m2. Un tel flux de chaleur est environ 10 fois supérieur aux 5 MW/m2 théoriquement atteints avec les dispositifs connus, cette valeur de 5 étant d'ailleurs surestimée par rapport à la réalité car elle supposerait une pulvérisation d'eau régulière sur la périphérie du fil. Le procédé, objet de l'invention, permet de refroidir en continu des fils métalliques portés à des températures pouvant atteindre (800 - 10000C) son efficacité restant, bien entendu, totale pour des fils portés à des températures inférieures à ces valeurs. Il est caractérisé en ce que l'on envoie sur le fil chaud circulant dans un conduit étroit,d'une épaisseur au noins égale à deux fois le diamètre du fil et d'une largeur au moins égale à quatre fois le diamètre du fil, une lame d'eau occupant entièrement ledit conduit, de part et d'autre du fil, et dans lequel elle atteint une vitesse au moins égale à dix mètres par seconde et, de préférence, égale à cinquante mètres, et même cent mètres par seconde, ladite lame d'eau étant dirigée de façon sensiblement perpendiculaire au fil. Cette vitesse élevée permet de vaincre la barrière constituée par la gaine de vapeur dûe à la caléfaction qui s'oppose au transfert de calories entre le fil et l'eau de refroidissement. Dans une variante de mise en oeuvre de l'invention, le refroidissement est assuré par deux lames d'eau, de mêmes dimensions, animées de vitesses sensiblement égales mais dirigées en sens opposé, l'une agissant sur une première portion du fil, l'autre agissant sur une deuxième portion du fil ayant une longueur sensiblement égale à celle de la première portion de façon à équilibrer les poussées sur le fil et à ne pas infléchir sa trajectoire. Le dispositif, également objet de l'invention, permettant la mise en oeuvre du procédé de refroidissement ci-dessus, comporte une boîte munie d'une entrée et d'une sortie pour le fil à refroidir, d'au moins une chambre d'introduction de l'eau et d'au moins une chambre d'évacuation de l'eau assurant un débit d'évacuation au moins égal au débit d'introduction de l'eau, et d'un conduit d'accélération de l'eau étroit, ayant une épaisseur au moins égale à deux fois le diamètre du fil à refroidir et une largeur au moins égale à quatre fois sa largeur. Dans une variante du dispositif, la boîte est munie de cubions de séparation qui déterminent deux volumes sensiblement égaux, chacun de ces volumes comportant une chambre d'introduction et une chambre d'évacuation. La boîte peut également comporter des déflecteurs pour empêcher l'eau de s'échapper en suivant la trajectoire du fil, et différents dispositifs pour canaliser des projections d'eau éventuelles et pour faciliter l'enfilage du fil lors de la mise en marche. Les figures qui suivent explicitent la mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 représente une coupe longitudinale d'une botté de refroidissement avec cloison centrale. La figure 2 représente une coupe transversale, selon AB, de la même boîte de refroidissement. Les figures 3 et 4 sont des coupes de boîtes de refroidissement, dans lesquelles les chambres d'introduction et d'évacuation ont un profil évolutif. La boîte de refroidissement (1) a une forme cylindrique. Elle comporte un orifice d'entrée (2) et un orifice de sortie (3) permettant la circulation du fil (4), deux orifices d'entrée (5 et 6), deux orifices de sortie (7 et 8) pour l'eau de refroidissement, de forte section et dimensionnés de façon que la capacité de débit de la chambre d'évacuation (9) soit au moins égale au débit de la chambre d'entrée (10) pour éviter tout risque d'engorgement. Les cloisons (11 et 12) séparent la boîte en deux sections. Elles sont légèrement décalées l'une par rapport à l'autre de façon à éviter des interférences entre les lames d'eau. Le conduit étroit (13) dans lequel circule le fil à refroidir permet à l'eau injectée sous pression par les orifices(5 et 6)d'acquérir une vitesse élevée. Le déflecteur (14), qui a son symétrique dans la chambre d'évacuation de l'autre section, renvoie l'eau par l'orifice d'évacuation (7) vers le réservoir et le circuit de recyclage non représentés. Les déflecteurs (15 et 16) empêchent l'eau de sortir suivant la trajectoire du fil. De plus, des jets d'air (17) et (18) circulant dans les canalisations (19) et (20), frappant radialenent le fil, peuvent être prévus à l'entrée et à la sortie du refroidisseur pour canaliser des projections d'eau éventuelles. Une partie au moins d'une paroi de la boîte, telle que (21) peut être rendue amovible pour faciliter l'enfilage. La forme des chambres d'introduction et d'évacuation de l'eau peut être modifiée, en particulier pour éviter des formes anguleuses trop prononcées la chambre d'entrée, en particulier, peut recevoir une forme évolutive (22). Il est également possible de donner aux chambres d'entrée et de sortie une forme (23) sensiblement symétrique par rapport au fil, avec un profil circulaire, parabolique ou hyperbolique, facilitant à la fois la convergence de l'eau sur le fil pour accélérer la lame d'eau de refroidissement, et la divergence à la sortie, pour faciliter l'évacuation. EXEMPLES DE REALISATION On a construit une boîte de refroidissement conforme à la description qui vient d'être faite, d'un diamètre de 0,5 mètre, d'une épaisseur de 0,2 mètre, le conduit de refroidissement ayant une épaisseur de 7 ma et une largeur de 0,5 mètre. Les deux chambres d'introduction sont alimentées en eau sous une pression de 2 bars et un débit total de 50 litres/seconde. La vitesse de chacune des deux lames d'eau est d'environ 15 mètres/seconde. Dans un premier essai, on a introduit dans la boîte de refroidissement un fil de laiton de 5,5 nan de diamètre, circulant à 5 mètres/seconde et sortant d'un recuiseur continu où il était chauffé par induction sous 70 V et 6000 ampères, ce qui représente un flux thermique à évacuer de 48,5 P /m2, ainsi qu'on l'a précédemment calculé ; le fil entrait dans le refroidisseur à environ 6500C. A la sortie de la boîte, le fil était complétement froid et la dif férence de température de l'eau entre la sortie et l'entrée était de 20C. Dans un deuxième essai, où la largeur du conduit (10) avait été réduite à 3 mn, on a introduit un fil de cuivre de 1 mm de diamètre, circulant à 30 mètres par seconde, sortant d'un recuiseur continu fournissant une puissance de 72 KW. Ce flux thermique à évacuer, calculé comme précEdemment, est de 45,8 Mw/m2. Le fil qui entrait dans le refroidisseur à environ 6000C sortait complétement froid. Dans un troisième essai, on a introduit dans la boîte un fil d'acier inoxydable à 18 de Cr et 10 % de Ni de 1 mn de diamètre, sortant à 8 mètres/ seconde, et à environ 10000C d'un recuiseur continu, fournissant une puissance de 22 KW; le flux thermique à évacuer était, dans ce cas, de 14 Dans ce cas également, le fil est sorti complétement froid et on a mesuré une élévation de température de liteau de 0,20C entre l'entrée et la sortie. La vitesse de la lame d'eau a été évaluée, dans ce dernier cas, à 18 metres/seconde. REVENDICATIONS 1 / - Procédé de refroidissement rapide, en continu, de fils métalliques portés à température élevée, caractérisé en ce que l'on envoie sur le fil chaud circulant dans un conduit étroit d'une épaisseur au moins égale à deux fois le diamètre du fil et d'une largeur au moins égale à quatre fois le diamètre du fil, une lame d'eau occupant entièrement ledit conduit, de part et d'autre du fil, dans lequel elle atteint une vitesse au moins égale à dix mètres par seconde, ladite lame d'eau étant dirigée dans une direction sensiblement perpendiculaire à celle du fil. 2 / - Procédé de refroidissement rapide, en continu, de fils métalliques, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse de la lame d'eau est au moins égale à 50 mètres par seconde. 30/ - Procédé de refroidissement rapide, en continu, de fils métalliques, selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on envoie sur le fil deux lames d'eau dirigées en sens opposé, l'un agissant sur une première portion du fil, l'autre agissant sur une deuxième portion du fil. 40/ - Dispositif de refroidissement rapide, en continu, de fils métalliques portés à température élevée, caractérisé en ce qu'il comporte une boîte menine d'une entrée et d'une sortie pour le fil à refroidir, d'au moins une chambre d'introduction, d'au moins une chambre d'évacuation de l'eau de refroidissement et d'un conduit d'accélération de l'eau étroit, ayant une épaisseur au moins égale à deux fois le diamètre du fil à refroidir et une largeur au moins égale à quatre fois sa largeur, disposé de façon sensiblement perpendiculaire au sens de circulation de l'eau. 50/ - Dispositif de refroidissement rapide, en continu, de fils métalliques selon la revendication 4, caractérisé en ce que la boîte comporte des moyens de séparation qui déterminent deux volumes sensiblement égaux, chacun de ces volumes comportant des moyens d'introduction et des moyens d'évacuation de l'eau. 60/ - Dispositif de refroidissement rapide, en continu, de fils métalliques selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de déflexion placés sur le trajet de l'eau de refroidissement.