Brevet FR2562562A1 — publié le 19851011

La présente invention concerne un procédé de nettoyage en c t1nu dlune bande métallique par combinaison d'un effet thermique et d'un gaz d'atmosphère réducteur. Elle vise également un dispositif pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. On sait que, dans de nombreuses applications, les bandes métalliques doivent être nettoyées, afin de présenter un aspect de surface tel que, ni des huiles ou graisses déposées en surface, ni des films d'oxydes plus ou moins homogènes, n'empêchent le revêtement de ces bandes ou ne modifie la structure du métal pendant un cycle ultérieur de traitement thermique. Dans des installations selon la technique antérieure, telles que des unités de traitement de recuit en continu, suivies, le cas échéant, d'un dispositif déposant un revêtement métallique sur la bande, par immersion de celle-ci dans un bain liquide (par exemple, de zinc, d'alliage d'aluminium-zinc, etc. ), le nettoyage de la bande ainsi traitée est effectué en amont du four de recuit, en mettant en oeuvre des procédés physico-chimiques qui sont généralement réalisés dans des phases liquides, et souvent complétés par des traitements mécaniques, notamment des brossages,et des séchages. Cette solution connue permet d'obtenir une bande qui est à la fois dégraissée et exempte de dépôts de fines métalliques issues du laminage à froid. Cependant, cette solution présente l'inconvénient d'être coûteuse. Dans d'autres installations connues, on effectue le dégraissage de la bande métallique à l'entrée de l'unité de traitement thermique, dans une zone dite "zone de dégraissage", par effet de gaz, cette zone précédant le four de recuit. L'élévation de température de la bande,qui est soumise au rayonnement des flammes et à l'action des gaz de combustion dans l'unité de traitement thermique, permet d'obtenir une évaporation et une élimination des dépôts sur la bande, sans toutefois permettre une élimination des fines et des oxydes.Selon une variante de ce procédé connu, on réalise un apport calorifique en utilisant d'autres moyens qu'une flamme nue, par exemple des tubes radiants ou des résistances électriques, l'atmosphère de gaz de combustion (présentant généralement la composition suivante : N2 + C02 + CO + H2 + H20 ) étant alors générée par une unité annexe ou par un recyclage des fumées des tubes radiants. Un tel système est décrit dans le brevet français n" 81 12 289, appartenant à la présente titulaire. Le rendement thermique d'un tel dégraissage par effet de gaz d'atmosphère présente l'inconvénient d'être limité, compte tenu des niveaux de températures nécessaires aux fumées, lors de la préchauffe, du volume des fumées ainsi véhiculé, et de la température de rejet qui est généralement supérieure à 400"C, ou même à 600"C. Le procédé objet de la présente invention est destiné à se substituer aussi bien aux traitements physico-chimiques qu'au dégraissage par balayage d'une atmosphère issue d'une combustion de combustibles fossiles ou résiduaires (par exemple, gaz de hauts-fourneaux ou gas d'aciéries). Ce procédé est conçu de façon à supprimer tout apport de fumée dans l'enceinte de traitement, ces fumées étant remplacées par un gaz d'atmosphère composé essentiellement d'azote et d'hydrogène, ce procédé pouvant autoriser un apport calorifique soit par des tubes rayonnants, soit par des résistances électriques, l'enceinte de traitement étant maintenue en légère surpression. En conséquence, le procédé de nettoyage en continu d'une bande métallique selon la présente invention est essentiellement caractérisé en ce que ladite bande métallique pénètre en continu, à température ambiante, dans une première zone, où elle est soumise au rayonnement intensif d'éléments chauffants, présentant une température de l'ordre de 850 à 1100 C, provoquant ainsi une évaporation instantanée ("évaporation flash") et une gazéification des résidus présents à la surface de la bande, en ce que les produits de cette gazéification sont oxydés par de l'air ambiant entraSné en couche limite par la bande elle-même, et en ce que, dans une seconde zone, ladite bande circule à contrecourant d'un gaz d'atmosphère, de manière à obtenir une oxydation progressive des résidus carbonés, issus de l'évaporation flash, et une réduction, au moins partielle, des oxydes métalliques présents sur la surface de la bande. Selon une caractéristique de l'invention, le gaz d'atmosphère est constitué d'azote et d'hydrogène. Selon l'invention, l'oxydation des résidus carbonés est obtenue par action de la vapeur d'eau présente dans le gaz d'atmosphère, cette vapeur d'eau pouvant être obtenue par réduction, au moins partielle, des oxydes métalliques présents sur la surface de la bande, ou de l'oxygène présent à l'état de traces dans l'azote du gaz d'atmosphère. Selon une variante, cette vapeur d'eau peut être ajoutée en appoint dans le gaz d'atmosphère, à un niveau qui permet d'éviter l'oxydation de la bande par cette même vapeur d'eau. On comprend que le procédé objet de la présente invention opère en deux stades 1" - dans le premier stade, on obtient une évaporation flash et une gazéifica- tion des produits présents à la surface de la bande métallique. La bande pénètre en continu dans une première zone, où elle est soumise au rayon nement intensif d'éléments chauffants dont la température est supérieure à 850"C, et habituellement maintenue en-dessous de 1l000C. La présence des départs, sur la surface de la bande métallique, accroit son émissivité apparente, et, compte tenu de l'écart de température qui existe entre les éléments rayonnants de chauffage et la surface de la bande, ces dé pots absorbent très rapidement une partie du flux thermique émis.On prévoit un sas d'entrée dans la zone de nettoyage, qui est conçu de façon à réduire la turbulence des gaz au niveau de la bande, et à favoriser I'entraînement, lors de l'introduction de cette bande dans la zone de nettoyage, d'une couche limite maximum d'air après le premier rouleau d'introduction dans le sas 20 - dans un second stade, on réalise une réduction, au moins partielle, des oxydes métalliques presents sur la surface de la bande, et une oxydation des résidus carbonés issus de l'évaporation flash. A cet effet, la bande, après passage dans la zone de rayonnement intensif où a été effectuée l'évaporation flash, circule, toujours en continu, à contre-courant d'un gaz d'atmosphère qui est constitué par un mélange d'azote et d'hydrogène provenant de préférence du four de recuit.Selon l'invention, la vitesse de balayage de la bande par le gaz d'atmosphère peut être accrue en rédui sant l'espace qui sépare l'élément rayonnant de chauffage de la bande, d'une part, et en introduisant un volume supplémentaire de gaz d'atmos phère contenant généralement moins de 15 % d'hydrogène dans la zone de nettoyage, d'autre part. Ce gaz d'appoint peut etre préchauffé, afin d'éliminer, au moins partiellement, et dès son entrée dans la zone de nettoyage, les traces d'oxygène qui sont généralement présentes dans l'azote faisant partie du gaz d'atmosphère. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence au dessin annexé, qui en illustre un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur le dessin - la Figure 1 est une vue schématique, en élévation latérale et coupe axiale, d'une installation selon l'invention - la Figure 2 est une vue à échelle agrandie représentant le sas d'entrée de l'installation représentée sur la Figure 1 ; et, - la Figure 3 est une courbe représentant la variation de température, en fonction du temps,de la surface de la tôle et des résidus qu'elle comporte. L'installation représentée à titre d'exemple sur le dessin comprend essentiellement un sas d'entrée 10, dans lequel est prévu le premier rouleau support 12 (ligne horizontale) ou de renvoi (ligne verticale). Ce sas 10 est en communication avec l'atmosphère, de façon à permettre la reconstitution, après le premier rouleau 12, sur la face de la bande 14 qui est au contact de ce rouleau, d'une couche limite composée par l'air dont la circulation est contrôlée à l'intérieur de ce sas (air induit). A la suite de ce sas 10 est disposée la zone d'évaporation flash 16, le passage du sas 10 à cette zone 16 s'effectuant par l'intermédiaire d'un orifice 18, dont la section de passage peut être réglée de manière à ajuster la perte de charge aux valeurs nécessaires pour éviter une circulation des fumées de la zone d'évaporation flash 16 vers le sas 10. A cet effet, on peut prévoir un volet articulé 20. Cette zone d'évaporation flash 16 est réalisée sous la forme d'une enceinte isolée thermiquement qui communique avec l'extérieur, d'une part, par l'orifice 18 de passage de la bande 14, et, d'autre part, par le conduit d'évacuation des fumées 22. Les parois de ladite enceinte, en regard de la bande 14, sont équipées de résistances électriques 24 dont la température est régulée zone par zone. L'autre extrémité de la zone d'évaporation flash 16 est en communication avec la zone de recuit 26, le passage de la zone 16 à la zone 26 s'effectuant par l'intermédiaire dtune fente rectangulaire 28, qui permet le passage de la bande 14. La section de cette fente 28 est réduite, afin de permettre un meilleur contrôle de la circulation des gaz d'atmosphère depuis la zone de recuit 26 jusqu'à la zone d'évaporation flash 16. Dans cet exemple de réalisation, le gaz d'atmosphère (N2 - H2) provient de la zone de recuit 26. Sur la Figure 1, on a schématisé les conduits d'intro duction du gaz d'atmosphère d'appoint (N ~ H2 ) et de vapeur d'eau, éventuel 2 2 lement réchauffés à l'aide d'un échangeur 30. On comprend que, dans le procédé selon l'invention, les phénomènes qui président au nettoyage de la bande sont les suivants Dans le premier stade, sur la bande introduite à température ambiante Grâce au flux thermique absorbé par les dépôts superficiels de la bande, il se produit, dans la zone 16, une évaporation flash des résidus de formulation: C + H + H O + fines métalliques. n m 2 Les turbulences créées et entretenues par l'évaporation flash favorisent l'entrainement, total ou au moins partiel, des fines particules solides, mélangées aux produits organiques et aqueux qui sont gazéifiés. On obtient ainsi, à la superficie de la bande 14, un brouillard qui joue le rôle d'écran thermique entre les éléments rayonnants 24 et le métal constituant la bande, dont l'émissivité est faible, Le flux émis par les éléments rayonnants 24 est absorbé en partie par les produits gazéifiés et en cours de gazéification, ce qui en accroît la température, et, quand le niveau énergétique est suffisant, l'oxygène de l'air, entrafné en couche limite, réagit et permet l'oxydation des composés organiques gazéifiés, ce qui peut se traduire par les réactions générales suivantes CH + ~~~~ n m 2 2 2 nC02 + m H20 +H1 H2O liquide H2 O vapeur 2 Ces réactions de gazéification et d'évaporation ont lieu alors que la température de la bande est encore inférieure à 350/4000C, ce qui permet d'éviter l'oxydation superficielle du métal par CO2 ou H2O, ou 2' présents dans le milieu réactionnel, les cinétiques de ces réactions étant en effet très lentes en-dessous de ces températures (350/400"C), et le temps de séjour du métal dans ce milieu étant réduit, Dans le deuxième stade La bande 14, qui circule à contre-courant des gaz d'atmosphère (N , H 2 2 tend progressivement vers des températures de l'ordre de 600 à 800"C, selon les traitements ultérieurs prévus. Des particules de suie peuvent exister à la surface de la bande à la fin de la phase d'évaporation flash, qui peut s'accompagner d'une carbonisation partielle des résidus lourds. Le carbone résiduel, quiconstitue- les particules de suie, réagit avec l'hydrogène des gaz d'atmosphère et avec les molécules d'H2 O, issues de la réduction de l'oxygène "polluant" de l'azote du gaz d'atmosphère, d'une part, et de la réduction des oxydes métalliques, d'autre part, pour donner des produits gazeux selon les réactions suivantes Le rapport des pressions partielles H2 O - H2 favorise les réactions dans le sens "2". Le cas échéant, notamment lorsqu'il existe une proportion importante de graisses à la surface de la bande 14, il est nécessaire d'effectuer un appoint de H2O sous forme de vapeur dans le gaz d'atmosphère, comme on l'a précisé ci-dessus. Cet appoint est réalisé dans la deuxième partie de la zone de nettoyage, afin de favoriser l'oxydation des résidus carbonés. Toutefois, cet appoint doit être suffisamment limité pour ne pas entrainer une oxydation de la surface du métal nettoyé. Selon l'invention, le rapport H2O/H2 est maintenu de préférence inférieur à 0, 1. On voit que, dans le procédé selon la présente invention, le réglage de la puis-sance délivrée aux bqrnes des différents éléments rayonnants 24 permet, d'une part, de réaliser un transfert important en tout début de nettoyage, afin de favoriser les phénomènes d'évaporation flash, et, d'autre part, dans la seconde phase du procédé, d'élever progressivement et régulièrement la température du métal de la bande, afin,/d'obtenir une oxydation progressive des résidus carbonés et une réduction, au moins partielle, des oxydes métalliques. Cette élévation progressive et régulière de la température de la bande 14 ressort clairement de l'examen de la Figure 3. Le procédé selon l'invention permet, par rapport aux procédés thermiques classiques qui utilisent des fumées, d'améliorer notablement le rendement thermique de l'opération de nettoyage : le volume de gaz d'atmosphère 3 utilisé, qui est en effet souvent inférieur à 5 m par tonne de bande traitée, est un volume "fatal", étant donné qu'il est issu du four de recuit et nécessaire au fonctionnement de ce four, contrairement aux fumées des traitements habituels, qui viennent s'ajouter à ce volume "fatal". Les pertes thermiques aux fumées sont d'autant plus réduites qu'une partie de la chaleur latente d'évaporation des résidus est compensée par leur propre oxydation, dans la première zone, par réaction avec la seule atmosphère extérieure,entrainée en couche limite par la bande elle-même. Le procédé selon l'invention présente également l'avantage de permettre le traitement en continu de bandes métalliques, sans qu'il soit nécessaire de faire appel à un combustible hydro-carboné, fossile, ou résiduaire. Enfin, l'absence de fumées, qui contiennent toujours des proportions importantes de C02 et de H2O oxydants, au niveau des températures visées, (de l'ordre de 600 à 850 G), permet de supprimer les risques éventuels d'oxydation des surfaces métalliques dans les préchauffes classiques, tant pendant le fonctionnement normal qu'en cas d'arrêt accidentel ou volontaire de l'installation. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux exemples de mise en oeuvre ou de réalisation décrits ici, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Procédé de nettoyage en continu d'une bande métallique, caractérisé en ce que ladite bande métallique pénètre en continu, à température ambiante, dans une première zone, où elle est soumise au rayonnement intensif d'éléments chauffants, présentant une température de l'ordre de 850 à 1100 C, provoquant ainsi une évaporation instantanée; dite évaporation flash, et une gazéification des résidus présents à la surface de la bande, en ce que les produits de cette gazéification sont oxydés par de l'air ambiant entraîné en couche limite par la bande elle-même, et en ce que, dans une seconde zone, ladite bande circule à contre-courant d'un gaz d'atmosphère, de manière à obtenir une oxydation progressive des résidus carbonés issus de l'évaporation flash, et une réduction, au moins partielle, des oxydes métalliques présents sur la surface de la bande. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réduit la turbulence des gaz, au début de la zone de nettoyage, pour favoriser l'introduction d'une couche limite maximum d'air sur les deux faces de la bande métallique. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la vitesse de balayage de la bande par le gaz d'atmosphère est accrue, d'une part, en réduisant l'espace entre l'élément rayonnant et la bande, et, d'autre part, en introduisant un volume supplémentaire de gaz d'atmosphère, contenant de préférence moins de 15 % d'hydrogène, dans la zone de nettoyage. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit volume supplémentaire de gaz d'atmosphère peut etre préchauffé pour éliminer, au moins partiellement, et dès son entrée dans la zone de nettoyage, les traces d'oxygène présentes dans l'azote du gaz d'atmosphère. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'oxydation des résidus carbonés est obtenue par action de la vapeur d'eau présente dans le gaz d'atmosphère. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite vapeur d'eau est obtenue par réduction, au moins partielle, des oxydes métalliques présents sur la surface de la bande. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite vapeur d'eau est obtenue par réduction de l'oxygène présent à l'état de traces dans l'azote du gaz d'atmosphère. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ladite vapeur d'eau peut être ajoutée en appoint dans le gaz d'atmos phère, à un niveau qui permet d'éviter l'oxydation de la bande par cette vapeur d' eau. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit appoint de vapeur d'eau est réalisé dans la deuxième partie de la zone de nettoyage, et en ce que le rapport H O/H est inférieur à 0, 1. 2 2 10 - Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte : une enceinte isolée thermiquement, dont les parois situées en regard de la bande (14) sont pourvues de résistances électriques (24), dont la température est régulée zone par zone, qui communique, d'une part avec l'extérieur par un sas d'entrée (10), et, d'autre part, avec une zone de recuit (26), par l'intermédiaire d'un passage de section réduite (28), pour assurer un meilleur contrôle de la circulation des gaz d'atmosphère (N , H ), depuis la zone de recuit (26) jusqu'à la zone d'éva 2 2 poration flash (16); une zone d'évaporation flash (16), prévue dans ladite enceinte et communiquant avec ledit sas par un orifice (18) dont la section de passage est réglable, et des conduites d'introduction de gaz d'atmosphère d'appoint et de vapeur d'eau, éventuellement préchauffés.