Brevet FR2571384A1 — publié le 19860411

L'invention concerne un procédé de trempe au défilé de tôles d'un métal tel que l'acier permettant de réaliser dans une même installation la trempe dure et la trempe douce et une installation pour la mise en oeuvre du procédé, Les traitements thermiques ou thermomécaniques d'aciers peu chargés en éléments d'alliage permettent dans certaines conditions d'obtenir des caractéristiques mécaniques égales et même supérieures à celles d'aciers plus fortement alliés, traités de manière classique. On a donc, dans un but de-compétitivité des prix, développé des méthodes de trempe directe dans la chaude de laminage. On utilise actuellement deux types de traitement thermique : - la trempe dure qui a pour but l'obtention d'une structure martensitique, et qui nécessite une vitesse de refroidissement maximale jusqu'à une température inférieure à 2000C, pour atteindre le domaine martensitique, - la trempe douce, ayant pour but l'obtension d'une structure ferritique, perlitique ou bainitique se formant dans une zone de température supérieure à 40000, nécessite des vitesses de refroidissement pouvant entre 10 fois moindres que précédemment dans la zone des températures allant de 8000e (température initiale) à 6000C (température finale). Ces conditions sont réalisées notamment dans deux types de machines : pour la trempe dure dans une machine à refroidissement accéléré, telle que celle décrite par exemple dans le brevet français 2.223.096, dans laquelle des rouleaux de guidage font progresser la ttle à traiter dans une enceinte alimentée de chaque côté des faces de la ttle par des admissions d'eau dont le débit permet l'évacuation d'un flux de chaleur de 11 ordre de 5 MW/m2 - pour la trempe douce par une machine de refroidissement à jets laminaires ou à lame d'eau, telle par exemple celle décrite dans la publication '1Transactions I.S.J. vol. 22, 1982, p.B 245.246 et permettant l'évacuation d'un flux de chaleur de l'ordre de 0,4 à 0,8 MW/m2, tes caractéristiques des tôles soumises à une trempe dure ou douce étant différentes, il serait intéressant de pouvoir, avec une installation unique et avec une dépense énergétique réduite, produire des tôles selon l'une ou l'autre méthode. Malheureusement, pour des raisons d'ordre hydrodynamiques, l'installation de trempe douce ne peut en aucun cas évacuer le flux de chaleur nécessaire à la trempe dure et l'installation de trempe dure ne peut descendre aux valeurs de flux de la trempe douce. En effet, le flux thermique nécessaire pour refroidir une t81e est proportionnel à ltépaisseur de celle-ci et à la vitesse de refroidissement. Dans le cas de la trempe douce, la vitesse de refroidissement nécessaire est d'environ 100cas entre 8000C et 6000C et ne dépend pas de l'épaisseur de la tôle, du moins pour des épaisseurs inférieures à 25 mm. Dans -le cas de la trempe dure, la vitesse de refroidissement est nettement plus importante et dépend de l'épaisseur de la tôle. C'est ainsi qu'entre 8000C et 2000C, on a s environ 1000cas pour une t81e de 10 mm environ 3000/s pour une tôle de 30 mm environ 10Ces pour une tôle de 50 fln. Pour les tôles épaisses (au-dessus de 30 mm), la diffusion de la chaleur dans le métal limite la vitesse de refroidissement. Des remarques précédentes, il découle que, selon l'épaisseur de la tôle, il peut y avoir un rapport de 10 entre le flux thermique nécessaire à une trempe dure et celui nécessaire à une trempe douce. Quel que soit le procédé de refroidissement utilisé en métallurgie, le flux thermique en régime de caléfaction (pour une température superficielle du métal supérieure à 4000C) varie sensiblement comme la puissance 0,5 à 0,9 du débit d'eau. tes débits d'eau doivent donc varier dans un rapport très supérieur à 10 pour réaliser à la fois la trempe dure et la trempe douce. Binvention propose un procédé de trempe permettant de réaliser avec une même installation soit la trempe dure, soit la trempe douce. On fait défiler la tôle à traiter dans une zone primaire à flux de refroidissement élevé de manière à amener la superficie de la tdle dans le domaine de température correspondant à la structure désirée, on achève le refroidissement par passage dans une zone secondaire à flux de refroidissement modéré. Avantageusement, dans le cas de la trempe douce, le flux de refroidissement et le temps de séjour sont choisis pour que la température superficielle de la tôle ne descende pas au-dessous de 5000C dans la zone à refroidissement élevé et soit maintenue au-dessus de 5000C dans la zone à refroidissement modéré, le refroidissement s'effectuant par caléfaction ou ébullition en film; dans le cas de la trempe dure le flux de refroidissement et le temps de séjour sont choisis pour que la température superficielle de la tôle soit rapidement proche de 1000C de façon que dans la zone à refroidissement modéré le refroidissement s'effectue par ébullition nucléé. te flux de refroidissement élevé est de l'ordre de 1,5 MW/m2 dans le cas de la trempe douce et est environ trois fois plus élevé dans le cas de la trempe dure, tandis que le flux de refroidissement modéré peut varier entre 0,2 et 0,8 NW/m2 environ,dans le cas de la trempe douce, l'échange thermique se faisant par ébullition en film ou caléfaction, et est environ trois fois plus élevé dans le cas de la trempe dure, ltéchange thermique se faisant par ébullition nucléée. L'installation destinée à la mise en oeuvre de ce procédé comporte une section de refroidissement à flux thermique élevé suivi d'une section de refroidissement à flux thermique modéré, le flux de refroidissement de la première section étant réglable dans un rapport de 1 à 3 et celui de la deuxième section, dans un rapport de 1 à 4, pour un régime d'ébullition donné (soit ébullition nucléée,soit caléfaction) pour permettre leur adaptation aux vitesses de refroidissement demandées. tes explications et figures données ci-après à titre d'exemples permettront de comprendre comment 11 invention peut être réalisée. La figure 1 est une représentation schématique d'une première forme de réalisation d'une installation de refroidissement pour la mise en oeuvre du procédé selon llinvention. ta figure 2 est une représentation schématique d'une deuxième forme de réalisation dtune installation de refroidissement. La figure 3 montre les courbes de refroidissement d'une tôle soumise à une trempe douce. ta figure 4 montre les courbes de refroidissement d'une tôle soumise à une trempe dure. Selon le procédé de l'invention, la tôle à traiter, sortant du laminoir à une température de l'ordre de 8000C, passe dans une zone primaire de refroidissement susceptible d'évacuer un flux thermique élevé ou zone de refroidissement intense. Au moins la surface de la t81e est ainsi amenée, à la sortie de cette zone, dans un domaine de température correspondant à la structure finale désirée martensitique ou perlitique-fritiqueselon qu'il s'agit d'obtenir une trempe dure ou une trempe douce. te refroidissement est poursuivi dans une zone secondaire de refroidissement susceptible d'évacuer un flux thermique modéré suffisant pour maintenir la température superficielle du produit sensiblement au niveau correspondant à la structure finale désirée. Comme il a été précédemment signalé, la température superficielle des tôles à la sortie de la zone de refroidissement à flux thermique élevé ne dépend pas de leur épaisseur mais uniquement de la température initiale et du flux thermique de refroidissement. En ce qui concerne la trempe douce une modélisation thermique a montré que Si l'on refroidit pendant 3 seeondes une tôle d'au moins 12 mm d'épaisseur et dont la température initiale est supérieure à 7500C avec un flux de l'ordre de 2 MW/m2, la température superficielle de la t81e ne dépend pas de son épaisseur et ne descend pas- en dessous de 500du et par conséquent n'atteint pas des domaines de formation de structure de trempe dure.Par contre la température moyenne de la tôle reste supérieure à 6000C et dépend de l'épaisseur. te refroidissement peut alors être achevé dans la zone secondaire de refroidissement à flux modéré (0,8 à 0,2 MW/m2 selon l'épaisseur de la t81e), qui est réglée de façon à maintenir une vitesse de refroi- dissement moyenne de 10 C/seeonde environ jusqu'à 60000. Dans cette zone secondaire, la température superficielle reste toujours comprise entre 6000C et 5000C. On obtient donc un refroidissement comparable à celui obtenu par un refroidissement à la vitesse constante de 100C/s jugée nécessaire à 11 obtention de structures de trempe douce. Selon un exemple de réalisation d'installation conforme à l'invention : pour une tôle de 25 mm d'épaisseur dont la température initiale est de 8000C, et la température finale de 600 C avec une vitesse de défilement de 2 m/s, le flux athermique de refroidissement de la zone primaire étant de l'ordre de 2 MW/m2, la longueur de la zone primaire étant de l'ordre de 2 la longueur de la zone primaire est de 6 m et celle de la zone secondaire de 24 m, d'où une installation de 30 m de longueur totale. La figure 3 montre l'évolution des températures superficielles, moyennes et à coeur d'une tôle de 25 mm d'épaisseur ayant traversé l'installation comme indiqué ci-dessus. Une installation de trempe douce, comme actuellement connue, aurait eu une longueur de 40 m. Pour obtenir une trempe dure, il faut amener les tôles dans le domaine martensitique par un refroidissement très rapide. En outre, des essais de trempe dure ont montré que les tôles devaient entre refroidies jusqu'à une température moyenne inférieure à 150 C, ce qui pour des tôles épaisses conduit à des temps de refroidissement élevés, par exemple 120 secondes pour une tôle de 50 mm d'épaisseur. L'écart de température maximum tolérable entre la téte et la queue drune tôle imposant une vitesse minimum de l'ordre de à 0,2 m/s, le temps de séjour maximum d'une tôle défilant dans la zone à refroidissement intense est de 60 secondes. Une modélisation thermique montre que, en sortie de la zone de refroidissement intense réglée au maximum de ses capacités, le flux thermique nécessaire pour achever le refroidissement jusqu'à 1500C ne dépasse pas 2 MW/m2 . La température de peau des tôles en sortie de la zone primaire à flux de refroidissement élevé (ou zone de refroidissement intense) étant proche de 1000C, le phénomène de caléfaction, qui dans le cas de la trempe douce limitait les échanges thermiques, a disparu et le refroidissement classique par eau pulvérisée devient important et montre une efficacité de l'ordre de 40 ç par sllite d'une vaporisation intense. Ainsi, pour un flux thermique de 2 MW/m2 et une efficacité de refroidissement de 40 fo, le débit surfacique d'eau à réaliser est de 2 kg/m2.Ce débit est du même ordre de grandeur que celui nécessaire au refroidissement dans la zone secondaire à flux de refroidissement modéré et correspondant aux caractéristiques des installations classiques de trempe douce (environ.0, 8 MW/m2 en régime de caléfaction). L'exemple d'installation précédemment décrite aveo une zone primaire de 6 m et une zone secondaire de 24 m permettra de traiter des tôles de 50 mm d'épaisseur défilant à la vitesse de 0,2 m/s ou de 70 mm défilant à 0,1 m/s. La figure 4 montre l'évolution des températures superficielles, moyennes et à coeur d'une tôle de 50 mm dtépaåsseur ayant traversé l'installation comme indiqué ci-dessus. La figure 1 représente schématiquement un exemple de réalisation d'une installation de refroidissement pour la mise en oeuvre du procédé selon selon l'invention. tes tôles sortant du laminoir 1 passent dans une installation de planage 2 puis dans l'installation de refroidissement 3. Cette installation comprend une zone primaire 4 à flux de refroidissement élevé et une zone secondaire 5 à flux de refroidissement modéré. La t81e à traiter 6 circulant, dans la zone de refroidissement intense 4, entre des rouleaux supérieurs 7 et inférieurs 8, doit présenter une bonne planéité. Afin d'obtenir la planéité requise, on fait passer la tôle sortant du laminoir dans l'installation de plantage 2, ce qui présente un double avantage : au niveau du planage, redresser la tôle à chaud, donc avec consommation d'une faible énergie, et au niveau du refroidissement, une meilleure répartition de l'eau. La zone de refroidissement intense est constituée par des éléments tels que ceux décrits dans le brevet français 2.223.096. Elle comporte un certain nombre de couples de rouleaux de guidage entre lesquels passe la tôle. Ces rouleaux sont enfermés dans unie enceinte 9 présentant entre les rouleaux des parois planes, parallèles entre elles et avec les faces supérieure et inférieure de la tôle. Ces parois laissent le passage à une lame d'eau de refroidissement alimentée par des admissions prévues sur les carters de certains des rouleaux et évacuée par des sorties prévues sur les carters d'astres rouleaux. te réglage du débit d'eau permet de faire varier le flux de refroidissement dans un rapport de 3. les couples de rouleaux de guidage permettent le déplacement de la tôle mais participent également au maintien de celle-ci pour empêcher sa déformation acoiden- telle lors du refroidissement. L'épaisseur des tôles soumises au traitement étant variable, la partie haute de la machine portant les rouleaux supérieurs, doit être mobile pour permettre le réglage du passage entre les rouleaux, aussi cette partie de l'installation est onéreuse et lton a intér8t à en diminuer sa longueur. Pratiquement, on se limite à une longueur de l'ordre de 6 mètres. La zone de refroidissement modéré 5 comporte des rouleaux d'entraSnement 10 sur lesquels repose la tôle et des pulvérisateurs ou des dispositifs à lame d'eau prévus entre les rouleaux. Selon une forme préférée, on utilise des dispositifs de pulvérisation à jet bidimensionnel 11, 12, tels que décrits dans le brevet français 2.421.678. Ces dispositifs sont constitués par des corps creux, terminés par une fente allongée, alimentés en gaz sous pression modérée et en eau. l'eau, injectée à l'intérieur des corps creux, est éjectée par un courant de gaz sous pression, au travers de la fente en donnant un jet pulvérisé bidimensionnel.Par suite de la bonne définition du jet pulvérisé, il est possible d'obtenir un refroidissement homogène sur la largeur de la t81e et semblable sur les deux faces avec un appareillage relativement peu onéreux et dont la puissance de refroidissement est aisément réglable dans un rapport de 4. Ce refroidissement homogène et symétrique permet d'éviter les déformations de la tôle. Dans l'exemple représenté, la longueur de la zone secondaire 5 est de l'ordre de 24 mètres. L'installation conforme à la description précédente permet - d'effectuer une trempe dure au défilé, la zone de refroidissement intense étant réglée au maximum de ses capacités avec des tôles épaisses de 70 mm au plus et pouvant dépasser 10 m de longueur, - d'effectuer une trempe dure.ou statique de tôles d'épaisseur supérieure à 70 mm, (n fait alors subir à la tôle des mouvements de va-et-vient dans la zone de refroidissement secondaire), - dteffectuer une trempe doucie avec la zLone de refroidissement intense réglée pour un flux de refroidissement de 1 à 2 MW/m2et une vitesse de défilement de 11 ordre de 2 m/s. La figure 2 représente schématiquement une deuxième forme de réalisation d'une installation de refroidissement dans laquelle la zone de refroidissement intense 4 comporte des couples de rouleaux 13, 14 entre lesquels sont disposées des rangées de pulvérisateurs 15, 16 qui sont dirigés respectivement vers les faces supérieure et inférieure des tôles 17. La zone 4 et suivie de la zone de refroidissement modérée 5 qui comporte également des rangées de pulvérisateurs 18, 19 disposées comme dans l'exemple précédent entre les rouleaux d'entratnement 20. Dans es différents exemples, la'vitesse de rotation des rouleaux est réglable. REVENDICATIONS 1. Procédé de trempe au défilé de tôles d'un métal tel que l'acier permettant de réaliser dans une même installation la trempe dure et la trempe douce, caractérisé en ce que l'on fait défiler la tôle à traiter dans une zone primaire à flux de refroidissement élevé et réglable de manière à amener la température superficielle des la t81e dans le domaine de température correspondant à la structure désirée,- puis on achève le refroidissement par passage dans une zone secondaire à flux de refroidissement modéré et réglable. maintenant la température superftcielle au niveau souhaité. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le cas de la trempe douce, le flux de refroidissement et le temps de séjour sont choisis pour que la température superficielle de la tôle ne descende pas au-dessous de 5000C dans la zone à refroi dissement inten .et soit maintenue au-dessus de 5000C dans la zone à refroidissement lent, le refroidissement s'effectuant par caléfaction ou ébullition en film et que dans le cas de la trempe dure,le flux de refroidissement et le temps de séjour sont choisis pour que la température superficielle de la tôle soit rapidement proche de 1000C de façon que dans la zone à refroidissement modéré, le refroidissement s'effectue par ébullition nucléée. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le flux de refroidissement élevé est de lordre de 1,5 MW/m2 dans le cas de la trempe douce et est environ trois fois plus élevé dans le cas de la trempe dure, et le flux de refroidissement modéré peut varier de 0,2 à 0,8 MW/m2 environ dans le cas de la trempe douce et est environ trois fois plus élevé dans le cas de la trempe dure. 4. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une zone à flux de refroidissement élevé (4), constituée par des couples de rouleaux (7, 8 ; 13, 14) entre lesquels passe la tôle à traiter (6, 17) et des dispositifs de refroidissement (9; 15, 16), et une zone de refroidissement modéré (5) constituée par des rouleaux inférieurs (20) entre lesquels sont prévus des dispositifs de pulvérisation (18, 19); les dispositifs de refroidissement et de pulvérisation ayant un débit réglable, et la vitesse de rotation des rouleaux étant réglable. 5. Installation selon la revendication 4? caractérisée en ce que le dispositif de refroidissement de la zone à flux de refroidissement élevé est constitué de rouleaux (7, 8) enfermés dans une enceinte (9) présentant entre les rouleaux des parois planes, parallèles entre elles et avec les faces supérieure et inférieure de la tôle, lesdites parois formant un passage pour une lame dteau de refroidissement alimentée par des admissions prévues sur les carters de certains des rouleaux et évacuée par des sosies prévues sur les carters d'autres rouleaux; et en ce que le dispositif de pulvérisation de la zone à flux de refroidissement modéré (5) comporte des pulvérisateurs pneumatiques (11, 12) à jet bidimen- sionnel disposes devant les faces supérieure et inférieure de la tôle (6) entre les rouleaux (10)