Brevet FR2468652A1 — publié le 19810508

l 2468652 La présente invention se rapporte h des perfec- tionnements aux procédés de refroidissement continu de fil machine en acier à bas carbone (c0,4 %, et de préfé- rence Ca0,15 %). A la sortie du laminoir à fil, le fil machine est soumis à une opération de refroidissement contrôlé, dont les caractéristiques dépendent des propriétés finales que l'on désire conférer au fil. Tenant compte de la composition du fil et des 0l propriétés finales qu'on cherche à lui donner, la durée, le nombre, la nature et l'intensité des différentes phases du processus complet de refroidissement peuvent varier dans des proportions importantes. Un autre aspect du problème est constitué par l'importance des installations permettant de réaliser les refroidissements demandés, et notamment leur encombrement dans le sens longitudinal, qui peut avoir une incidence considérable sur les investissements nécessaires pour les réaliser. Il s'ensuit qu'une amélioration sur une quel- conque des phases d'un procédé de refroidissement de fil peut avoir une influence à la fois sur la qualité du fil, sur la durée du temps nécessaire pour refroidir complètement le fil, sur la dimension des installations correspondantes et par voie de conséquence, sur leur coGt aussi bien de fonctionnement que de premier établissement et sur l'homogénéité des caractéristiques mécaniques. Il existe actuellement de nombreux procédés pour soumettre à sa sortie du laminoir un fil machine à une séquence de refroidissement bien déterminée, le plus souvent spécifique de la qualité de fil recherchée. Dans le cas des fils d'acier extra-doux, on recherche essentiellement une limite élastique, une charge de rupture et un rapport E/R aussi bas que possible. Il importe dès lors que, dans le produit final, le grain ferritique soit grossier et la quantité de C en sursaturation dans la ferrite, minimale. Selon un procédé connu, à la sortie de la der- nière cage de laminoir, un fil machine d'acier à bas carbone est soumis à refroidissement par projection d'eau, jusqu'à une température comprise entre 8500C et 8000C, puis déposé en spires non jointives sur un convoyeur horizontal, o il est encore soumis à refroidissement par air calme puis soufflé jusqu'à une température de l'ordre de 2000C à 5000C et enfin, à cette température, mis sous bobines, pour expé- dition. On perçoit de suite que selon ce procédé, une phase de refroidissement relativement intense et rapide dans le domaine de température favorable à la précipitation, fait suite à une phase de maintien à température élevée, pendant un temps relativement long et qu'en conséquence, il en s'est produit que peu de précipitation de carbure, lorsque le fil est arrivé à température de bobinage. Une telle manière de procéder parait ne pas conduire spécifiquement à des fils de nuance particulièrement douce, car on n'y prévoit pas de phase de survieillissement consécutive à un tel refroidissement. Suivant un autre procédé connu, applicable de façon intéressante à la fabrication de fil en acier doux, à la sortie de la dernière came de laminoir, le fil également prérefroidi est déposé en spires non jointives 3 246'8652 sur un premier convoyeur, à une température analogue à celle renseignée ci-dessus; sur ce convoyeur, le refroi- dissement se fait, lentement à l'air, jusqu'au moment o la transformation allotropique austénite- ferrite soit partiellement réalisée. A cette phase fait suite une trempe du fil dans un bain d'eau bouillante o se termine la trans- formation allotropique. Le fil est finalement soumis h une phase d'overaging à une température moyenne de 450 C, au moins pendant une minute et l'on obtient ainsi un produit convenant bien pour l'utilisation normale sous forme d'acier doux. La présente invention se rapporte à un procédé de refroidissement de fil machine sensiblement du genre de ceux décrits ci-dessus, mais qui possède par rapport à ceux-ci l'avantage d'arriver très facilement à un fil en acier doux (CO,040 A) et meme extra-doux (C O15 /o). C'est donc l'essence du procédé de l'invention d'arriver à un fil dont la limite élastique, la charge de rupture et le rapport E/R sont particulièrement faibles. Par ailleurs, il est possible, suivant linvention, de réaliser ce refroi- dissement, par exemple dans un temps plus court sur une installation sensiblement de meme encombrement, ou dans un temps également plus court, sur une installation plus courte et donc moins onéreuse. Il a été en effet trouvé, de façon inatten- due, que le fait de passer très rapidement de la zone o la transformation allotropique était réalisée à au moins %, à celle de début du survieillîissement, ne modifiait pas sensiblement les propriétés du métal; un important gain de temps et donc de longueur d'installation était -4 2468652 donc possible, -ain qui s'est avéré particulièrement impor- tant dans le procédé de la présente invention. Le procédé, objet de la présente invention, est essentiellement caractérisé en ce que, à la sortie du laminoir, le fil machine est amené à une température comprise entre 900 C et 7T0 CC et de préférence entre 880 C et 800 C et déposé sous forme de spires non jointives, sur un convoyeur sur lequel il se déplace, en ce qu'on refroidit le fil en spires sur le convoyeur, en réglant la vitesse de refroidissement à une valeur suffisamment faible pour que le grain ferritlque présente la grosseur désirée, de préférence au moins ASTM 9 et de préférence encore au moins ASTM 10, quand la transformation allotro- pique a été réalisée à concurrence d'au moins 80 X et de préférence supérieure à 95 y et en ce qu'ensuite-et toujours sur un convoyeur, le fil est soumis à refroidissement rapide Jusqu'à une température comprise entre 350 C et 560 C et de préférence entre 500 C et 5600C et de préférence encore entre 450 C et 560 C, puis à une seconde phase de refroidis- sement lent. Grace à ce procédé, on obtient de façon rapide un fil doux et meme extradoux de très bonne qualité, au moyen d'une installation dont la longueur peut être infé- rieure à celle normale des procédés connus susmentionnés. Selon l'invention, une manière particulièrement efficace d'assurer le refroidissement rapide du fil (de préférence au moins 8 C/s), en même temps que de le contrôler, consiste à munir le convoyeur, conformément à la définition du procédé de l'invention, d'une série de gicleurs délivrant sur le fil un brouillard constitué d'eau pulvérisée par un fluide tel que par exemple de l'air. Suivant une variante avantageuse du procédé de l'invention, ce refroidissement rapide est obtenu par immersion du fil dans un bain aqueux, de préférence à tempé- rature d'ébullition et pouvant contenir des agents tensio- actifs. La seconde phase de refroidissement lent peut, suivant l'invention, etre réalisée, soit sur le convoyeur lui-même, soit sur fil bobiné, soit sur les deux. L'avangage principal du procédé de la présente invention et de ses variantes consiste dans le fait que d'une part, l'évolution du refroidissement à haute tempé- rature est choisie suffisamment lente pour assurer la forma- tion d'un grain ferritique suffisamment gros Jusque pratique- ment la fin de la transformation allotropique et que d'autre part, le passage de la température de fin de transformation allotropique à celle de début de survieillissement soit suffisamment rapide pour que la quantité de carbone restée en sursaturation au début de cette dernière phase soit la plus élevée possible, le soit encore au début de la phase de surviellissement subséquente, la précipitation des carbures se produise davantage et plus rapidement. La taille du grain, ainsi que la quantité de carbures précités conditionnent de manière importante la qualité du fil obtenu. Par rapport aux procédés susmentionnés, le procédé de l'invention permet donc - de réduire au minimum la durée du maintien du fil à haute température, tout en lui assurant la taille du grain désirée et la quasi totalité de la transformation allotro- pique, - de réduire, de façon très importante, le temps de passage de la zone de haute température à celle de survieillisse- ment, ce qui a comme avantage de conserver un maximum de carbone en sursaturation dans la ferrite et de réduire la longueur de l'installation, - d'accroître de façon importante, l'efficacité du surviel- lissement sur un fil dont la teneur de la ferrite en carbone sursaturé est encore importante, cette efficacité pouvant, à durée égale de la totalité du processus, s'exercer pendant un temps plus long. La vitesse minimale de refroidissement à respecter pour que le gain de temps et partant celui de la longueur d'installation soient suffisamment grands pour être considérés comme intéressants, dépend du diamètre du fil considéré. Par exemple, pour un diamètre de 5, 5 mn, une vitesse d'au moins 80C/seconde est souhaitable, tandis que pour un fil de 12 mm de diamètre, une vitesse d'au moins 3 C/seconde est souhaitable. Il va de soi que les caractéristiques finales obtenus dans le fil dépendent en principal de la durée du refroidissement lent à haute température, avant le refroi- dissement rapide. Plus cette durée est grande, plus rapport E/R obtenu est faible, de même que la valeur de R et de E. Pour une longueur donnée d'installation, les caractéristiques mécaniques dépendent donc de la vitesse de refroidissement du fil sur ledit convoyeur. Les schémas ci-après, donnés à titre d'exemple non limitatif, permettent de se rendre compte des avantages que présente le procédé de l'invention. 3 Sur le schéma de la figure 1 se trouve repré- 7 2468652 sentée l'évolution temporelle de la température d'un fil machine en acier de 5,5 mm de diamètre, et dont la compo- sition est: 0,05 % de C et 0,3 % Mn, 0,0048 % N. Ce fil, déposé à la temperature de 8300C sur un convoyeur se dépla- çant à 0,3 m/s et refroidi à l'air calme et bobiné à environ 250 C après 150 secondes de refroidissement suivant ladite évolution, présente une résistance à la rupture de 370 N/mm2. La longueur de l'installation est de l'ordre de m. ID] Le meme fil, dans les memes conditions de dépose et de vitesse de convoyer, mais soumis après environ 55 secondes à un refroidissement rapide à 4600C, puis à refroi- dissement lent (phase de surviellissement) pour atteindre environ 380 C après 150 secondes a présenté, toutes autres choses égales, une résitance à la rupture de 330 N/mm2 et un rapport limite élastique - resistance à la rupture infdrieur à 0,7, ce qui montre l]intérêt du procédé de la présente invention. Dans la figure 3, et conformément à la variante reprise ei-dessus, le même fil est déposé à 850 C, dans les memes conditions de vitesse de convoyeur, mais soumis à un refroidissement à 2,5 C/seconde, Jusqugà 750 C, puis à un refroidissement rapide Jusqu9à 500 C en environ 16 secondes à la vitesse de 16'C/seconde et enfin à refroidis- sement lent (phase de survieillissement) en bobine, Jusqu'à la température ambante. Cette opération pouvant etre réalisée sur une installation dont la longueur est d9environ 17 m, lgintéret de cette façon de procéder est donc évident. Il faut signaler que selon ce procédé, les résultats obtenus pour le fil y soumis sont: E/R = 0,7 et R = 330 N/mm.2 8 2468652 Dans le cadre du procédé décrit ci-dessus, un autre aspect du problème est constitué par l'importance des installations permettant de réaliser les refroidisse- ments demandés, et notamment leur encombrement dans le sens longitudinal, qui peut avoir une incidence considérable sur les investissements nécessaires pour les réaliser. Enfin, et cet aspect n'est pas le moindre, il y a 1ntérêt majeur à produire un fil dont les propriétés mécaniques sont uniformes et homogènes sur toute sa longueur. Dans cette optique, un séjour plus ou moins prolongé sur un convoyeur à l'air calme peut entraîner une différence de vitesse de refroidissement et donc de microstucture et propriétés mécaniques, entre-les parties de spires qui se trouvent sur les bords du convoyeur et les parties de spires se trouvant éloignées des bords du convoyeur, c'est-à-dire dans la zone centrale du convoyeur. Il est en effet bien connu que lorsque le fil machine est étalé en spires non concentriques sur un convoyeur, la majeure partie du métal des spires est accumulée sous un volume relativement faible, aux deux bordures latérales de la nappe de spires, tandis qu'à la zone centrale de cette nappe, l'accumulation de métal est moindre que sur les bords. Il s'ensuit une différence dans l'allure de refroidissement des spires, les bordures latérales de la nappe se refroidissant moins vite que la zone centrale, ce qui ne favorise pas l'homogénéité de la structure du fil sur la totalité d'une meme spire et conduit, pour le fil se trouvant dans la zone centrale, à des propriétés mécaniques moins bonnes que celles obtenues pour le fil 3 se trouvant dans les zones latérales. 9 2468652 La modalité ci-après décrite permet de remédier à cet inconvénient. Suivant cette modalité, pendant tout ou partie du séjour des spires sur le convoyeur non immergé, la partie de la nappe des spires située dans la zone centrale du convoyeur est soumise à un refroidissement moins intense que celui des bords de la nappe et on règle la différence de refroidissement, de façon à obtenir une homogénéité de structure du fil sur la totalité de ses spires. lo Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour réaliser ce refroidissement différentiel. On peut par exemple, au moyen d'un générateur de chaleur, porter, à température appropriée, un fluide gazeux que l'on projette sur la partie des spires se trouvant dans ladite zone centrale, la tempé- rature du gaz ainsi projeté décroissant progressivement, et de façon appropriée, dans la zone centrale, dans le sens du déplacement du convoyeur0 Tout autre moyen de chauffage de la nappe de spires situées dans ladite zone centrale peut Utre utilisé, sans sortir du domaine de la présente invention. La préférence est toutefois donnée à tout moyen qui, sans apport précis de calories, contribue à ralentir à due proportion, le refroidissement de ladite zone centrale, notamment, tous autres facteurs égaux, en y réduisant, par rapport au débit d'agent de refroidissement utilisé pour les bords de la nappe, le débit de ces mêmes agents utilisés pour ladite zone centrale. Un autre moyen particulièrement intéressant pour mettre en oeuvre cette modalité du procédé de la présente O0 invention consiste à disposer audessus de la zone centrale du convoyeur, et de préférence rien qu'audessus d'elle, à une certaine distance de la nappe de spires et sur tout ou partie de sa longueur, un écran dont l'effet est d'une part, de ralentir la circulation de tout fluide gazeux sur ladite zone centrale et d'autre part, de réfléchir vers la partie supérieure de la zone centrale de la nappe de spires les calories qui en émanent, notamment par rayon- nement. Il est également intéressant de prévoir une isola- tion thermique des tagues. L'efficacité des effets de cet écrant est fonc- tion de ses paramètres propres, dimension, nature, distance au-dessus des spires, étant plus ou moins spéculaire de la face de l'écran située côté des spires. A titre d'exemple, un tel écran, soutenu par une armature enprofilés à base d'aluminium, est constitué d'une plaque en acier, polie sur sa face côté spires et noircie sur sa face opposée. Cette dernière modalité a été décrite dans le cas de son utilisation particulière à la fabrication de fil machine en acier extra-doux, mais c'est 1e uniquement à titre d'exemple, car on peut l'utiliser pour toutes autres catégories de fil machine, pour lesquelles le refroidissement prévoit un séjour prolongé sur un convoyeur à air calme. il 2468652 REVENDICATIONS 1. Procédé continu de refroidissement d'un fil d'acier à bas carbone (c0o, 4, et de préférence 0,15 5), c a r a c t é r i s é en ce qu'à la sortie du laminoir, le fil machine est amené à une température comprise entre 8800 C et 8000C et déposé sous forme de spires non Jointives, sur un convoyeur sur lequel il se déplace, en ce qu'on refroidit le fil en spires sur le convoyeur en réglant la vitesse de refroidissement à une valeur suffisam- lo ment faible pour que le train ferritique présente la grosseur désirée quand la transformation allotropique a été réalisée à concurrence d'au moins 80 % et de préférence supérieure à 95 5, et en ce qu'ensuite et touJours sur un convoyeur, le fil est soumis à un refroidissement rapide Jusqu'à une temperature comprise entre 350'C et 5600C et de préférence entre 500'C et 560 C et de préféerence encore entre 450 C et 560 C9 puis à une seconde phase de refroidissement lento Procédé suivant la revendication 1, c a r a c t 8 r i s é en ce queola vitesse de refroidissement rapide est choisie suffisante pour que la majeure partie au moins du carbone resté en sursaturation à la fin de la transformation allotropique le soit encore au début de la phase de survieîllssemento 3o Procédé suivant la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que la vitesse du premier refroil dissement lent sur convoyeur est telle que la taille du grain atteïgne au inoins ASTM 9 et de préférence encore au moins ASTM l0o 4o Procédé suivant l'une ou l0autre des reven- dications 1 à 3, c a r a c t é r i s e en ce que le refroidis- 12 2468652 sement rapide est obtenu par projection d'un brouillard d'eau dans de l'air, obtenu par exemple par des gicleurs appropriés. 5. Procédé suivant l'une ou l'autre des reven- dications 1 à 3, c a r a c t d r i s é en ce que le refroi- dissement rapide est obtenu par immersion du fil dans un bain aqueux, de préférence à température d'ébullition. 6. Procédé suivant la revendication 4, c a r a c t é r i s é en ce que la vitesse du refroidissement rapide est d'au moins 80 C/seconde. 7. Procédé suivant la revendication 5, c a r a c t é r i s d en ce que la vitesse du refroidissement rapide est d'au moins 80 C/seconde pour un diamètre de ,5 mm et d'au moins 3OC/seconde pour un diamètre de 12 mm. 8. Procédé suivant l'une ou l'autre des reven- dications 1 à 7, c a r a c t é r i s é en ce que, pendant tout ou partie du séjour des spires sur le convoyeur avant la phase de refroidissement rapide, la partie de la nappe des spires située dans la zone centrale du convoyeur est soumise à un refroidissement moins intense que celui des bords de la nappe, et en ce qu'on règle la différence des refroidissements de façon à obtenir une homogénéité de structure du fil sur la totalité de ses spires. 9. Procédé suivant la revendication 8, c a r a c t é r i s é en ce que tout moyen de chauffage de la partie de la nappe située dans ladite zone centrale peut être utilisée pour produire cette différence dans les refroidissements. 10. Procédé suivant la revendication 9, c a 13 2468652 r a c t d r i s é en ce qu'au moyen d'un générateur de chaleur, on porte à température appropriée, un fluide gazeux que l'on projette sur la partie des spires se trouvant dans ladite zone centrale, la température du gaz ainsi projeté décroissant progressivement, et de façon appropriée, dans la zone centrale, dans le sens du déplacement du con- voyeur. 11. Procédé suivant la revendication 8, c a r a c t d r i s é en ce que l'on fait usage de tout moyen qui, saris apport précis de calories, contribue à ralentir le refroidissement de ladite zone centrale, par exemple, tous autres facteurs égaux, en réduisant par rapport au débit d'agents de refroidissement utilisé pour les bords de la nappe, le débit d'agents de refroidissement utilisé pour la zone centrale de la nappe. 12. Procédé suivant la revendication 11, c a r a c t é r i s é en ce qu'on dispose au-dessus de la zone centrale du convoyeur, et de préférence rien qu'au-dessus d'elle, à une certaine distance de la nappe de spires et sur tout ou partie de sa longueur, un écran destiné d'une part, à ralentir par rapport à ce qu'elle est sur les zones latérales de la nappe, la circulation de tout fluide de refroidissement sur ladite zone centrale et d'autre part, à réfléchir vers la partie supérieure de la zone centrale de la nappe de spires, les calories qui en émanent, notamment par rayonnement.