Brevet FR2674868A1 — publié le 19921009

1. La présente invention concerne le traitement superficiel d'un produit métallique séjournant dans une solution réactive, notamment pour son décapage ou sa galvanisation Plus particulièrement, l'invention concer- ne le décapage de bandes d'acier ordinaire et inoxydable, laminées à chaud dans les installations métallurgiques, préalablement à leur laminage à froid. On sait que les bandes d'acier laminées à chaud sont recouvertes d'une couche d'oxydes, la calamine, ma- tière dure, cassante et abrasive qu'il importe d'enlever avant laminage à froid En effet, s'allongeant moins que l'acier, la calamine s'incrusterait dans le métal, et réduirait très sensiblement ses aptitudes à l'emboutissa- ge Abrasive, elle détruirait rapidement l'état des surfaces des cylindres, l'aspect des tôles serait médio- cre, sans brillant, impropre au polissage et aux divers revêtements ultérieurs. Cette calamine se forme dans les cages finis- seuses des trains à chaud, sur les tables de refroidisse- ment et au bobinage. La calamine, mélange des trois oxydes Fe O, Fe 3 04 et Fe 2 03, et également d'oxydes de chrome dans le cas des aciers inox, est classiquement décapée par immer- sion des bandes d'acier dans plusieurs bacs contenant un acide chaud, tel que l'acide sulfurique, l'acide chlorhy- drique, l'acide nitrique, l'acide fluorhydrique ou d'au- tres acides selon les cas On utilise ainsi généralement quatre ou cinq bacs pour parvenir à des niveaux de déca- page suffisant, chacun ayant 10 à 15 mètres de longueur et le produit à décaper y séjournant pendant une à plu- sieurs minutes. On s'est efforcé de réduire le nombre des bacs nécessaires en accélérant la vitesse de décapage, afin de réaliser ainsi une économie sur les investissements et la quantité d'acide nécessaires Cet objectif est d'autant plus justifié que le décapage est relativement faible dans le premier bac, qui a surtout pour fonction d'amener le produit métallique à la température appropriée. Pour résoudre ce problème, on a déjà proposé de générer, dans la solution réactive dans laquelle est im- mergé le produit métallique à décaper, des vibrations haute fréquence telles que des ultrasons dont l'action va s'ajouter à celle du bain pour briser la couche de cala- mine Ces vibrations haute fréquence sont communiquées aux parois du bac ou à la solution réactive On observe ainsi une augmentation de la vitesse de décapage, qui peut être de 10 à 20 % environ, ou même dans les meilleurs cas atteindre 70 à 80 % Mais les meilleures performances ne sont obtenues qu'avec des puissances vibratoires injectées dans le liquide très élevées, dont il s'avère qu'elles provoquent des phénomènes de cavitation au sein du liquide. Come on le sait, la cavitation acoustique dans un liquide est un phénomène lié à des réductions locales de la pression du fluide, dues aux oscillations négatives de la pression acoustique, qui peuvent entraîner des ruptures du liquide et la formation de bulles Le seuil d'apparition de la cavitation dans un liquide dépend de multiples paramètres, notamment la valeur de l'énergie ultrasonore injectée Il ressort de diverses études menées jusqu'à présent, que les deux phénomènes essen- tiels responsables de l'effet mécanique de la cavitation sont basés sur l'apparition d'ondes de chocs et de micro- jets accompagnant l'effondrement des bulles. L'invention a pour but d'améliorer les perfor- mances du décapage assisté par vibrations haute fréquen- ce, de produits métalliques tels que des tôles laminées à chaud. Le procédé de traitement superficiel d'un produit métallique suivant l'invention, est caractérisé en ce qu'on imprime au produit des vibrations haute fréquence. Ainsi on génère les vibrations, telles que des ultrasons, non plus comme jusqu'à présent dans le milieu ambiant, c'est-à-dire la solution réactive dans laquelle est immergé le produit métallique, mais dans ce dernier lui-même, en l'excitant de manière appropriée. En effet, on a constaté que lorsqu'on génère les ultrasons dans le liquide, des puissances très éle- vées sont nécessaires pour obtenir la cavitation souhai- tée, près de la surface du produit (de l'ordre de 5 à 15 watts par litre) En fait, ce but n'est le plus souvent pas atteint, car une trop grande proportion de l'énergie ultrasonore est dissipée, de sorte qu'on n'atteint pas le seuil de cavitation au voisinage du produit. L'invention réalise donc une injection directe des vibrations dans le produit métallique, ce qui comme l'expérience l'a montré, permet d'atteindre de manière plus sûre le seuil de cavitation nécessaire pour une bonne efficacité du décapage. Suivant une forme de réalisation du procédé conforme à l'invention, on choisit la fréquence et l'am- plitude des vibrations de manière à provoquer l'établis- sement dans la solution réactive de phénomènes de cavita- tion au voisinage de la surface du produit. Suivant une forme particulière de réalisation de l'invention, le produit est une tôle d'acier calaminée immergée dans un bain d'acide, et la fréquence des vibra- tions du produit est comprise entre environ 4000 Hz et 50000 Hz. On observe dans ces conditions une très impor- tante diminution du temps nécessaire au décapage du produit par rapport à celui correspondant à l'absence de vibrations ultrasonores, cette diminution étant de l'or- dre de 60 à 80 %. Le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, également visé par l'invention, comprend au moins un couple d'électro-aimants disposés en regard l'un de l'autre de part et d'autre du produit métallique, pouvant être alimentés par des courants de même fréquence -et exercer chacun sur le produit une force d'attraction périodique, les forces exercées par chaque électro-aimant étant déphasées, par exemple de Tr/2. D'autres particularités et avantages de l'in- vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés qui en illustrent une forme de réalisation à titre d'exemple non limitatif. La figure 1 est une vue schématique en éléva- tion longitudinale d'un produit métallique tel qu'une tôle, et d'une paire d'électro-aimants disposés de part et d'autre de celle-ci conformément à l'invention. La figure 2 illustre schématiquement un circuit électrique d'excitation des électro-aimants de la Fig 1. Les figures 3 et 4 montrent deux diagrammes illustrant la variation dans le temps de l'intensité du courant et de la force d'attraction sur la tôle générée dans chaque électro-aimant. La figure 5 est un diagramme illustrant la variation dans le temps de la force résultante exercée sur la tôle. On voit à la Fig 1 un produit métallique constitué par une tôle 1 en défilement dans un bac non représenté, rempli d'une solution réactive 7 telle que de l'acide chlorhydrique, de façon connue en soi afin d'être décapé de sa couche de calamine De part et d'autre de la tôle 1, sont disposés, immergés dans la solution réactive 7, deux électro-aimants 2 et 3, placés l'un au-dessus de la tôle, et l'autre au- dessous L'entrefer e est choisi à une valeur appropriée, et les électro- aimants 2 sont parcourus par un courant d'intensité I et de fréquence appropriées pour générer dans la tôle 1 elle-même, ainsi que dans les couches de liquide situées au contact des surfaces opposées de la tôle 1, des vibrations ultra- sonores haute fréquence A cet effet chaque électro- aimant 2, 3 est relié à un amplificateur basse fréquence respectif 5, 4, le circuit électrique étant classiquement complété par divers appareils de mesure non représentés (accéléromètre, wattmètre, fréquencemètre, analyseur de spectre). Les électro-aimants 2, 3 étant immergés dans la solution corrosive, doivent être protégés par une enve- loppe 6 adaptée, par exemple réalisée en un polymère tel que le "Téflon". La puissance ultrasonore ainsi injectée dans la tôle 1 est choisie de manière à ce que les vibrations de la tôle communiquent au liquide une accélération supé- rieure au seuil de cavitation Les diagrammes des Fig 3 et 4 montrent le décalage de 11/2 des deux courbes de l'intensité I du courant et de la force F d'attraction en fonction du temps t, dans le temps, sur la tôle 1, géné- rée par chaque électro-aimant 2, 3 Ces électro-aimants n'exercent chacun sur un produit non aimanté tel que la tôle 1, que des forces F d'attraction, aussi bien pendant les alternances positives que les alternances négatives du courant I qui les parcourt Compte tenu du décalage précité de e/2, la tôle 1 oscille donc à une fréquence N double de la fréquence du courant I (Fig 5). On voit sur la Fig 1, à une échelle très exagé- rée pour la commodité de la description, la déformation sinusoïdale de la tôle 1 à un instant t pendant sa mise en vibration à haute fréquence, ainsi que la forme qu'el- le affecte à l'instant t' = t+ 1/2 N, représentée par la ligne en trait mixte 10. Exemple numérique L'entrefer e est compris entre 2 et 20 mm, la tôle 1 ayant une épaisseur inférieure à cet entrefer et défilant dans le bain à une vitesse déterminée. Le courant a une intensité I = 60 Ampères par électro-aimant, et une fréquence comprise entre environ 2000 Hz et 25 000 Hz, les électroaimants 2 et 3 étant excités avec un déphasage de Wr/2 La puissance injectée est supérieure à celle nécessaire à l'obtention de la cavitation dans la solution, et est de l'ordre de quel- ques k W au niveau de la tôle 1, par exemple 8 k W par électro-aimant Cette puissance ultrasonore permet de dépasser le seuil de cavitation, qui est de 6500 à 13000 m.s-2 dans un liquide tel que l'eau à une température de 20 'C, la tôle 1 subissant une accélération au moins égale à cette valeur Comme il a été dit, la tôle vibre à une fréquence double de celle du courant alimentant les électro-aimants, soit de 4000 à 50000 Hz. En pratique, la puissance convenable par élec- tro-aimant dans une installation industrielle mettant en oeuvre l'invention peut se situer avantageusement entre et 20 k W environ. Les courants de Foucault provoquent un échauf- fement du produit métallique 1, favorable à un bon déca- page, et permettent de réduire son temps de mise en température Ceci est un élément favorable à la réduction du nombre de bacs nécessaires, les électro-aimants 2, 3 étant disposés de préférence dans le ou dans les premiers bacs de décapage. Il est possible que les ultrasons générés dans la tôle 1 elle-même, contribuent à fissurer la couche de calamine, et ainsi à faciliter son attaque par la solu- tion acide D'autre part, ces ultrasons brassent la couche limite de solution réactive 7 au voisinage de la tôle 1, empêchant ainsi l'appauvrissement de cette couche limite en acide et lui permettant de maintenir son effi- cacité corrosive Les pertes par courants de Foucault tendent à augmenter avec la fréquence du courant, et la cavitation est la meilleure dans le bas de la gamme des fréquences mentionnées ci-dessus. En variante il est possible de disposer les électro-aimants 2, 3 hors des bacs, ce qui supprime tout problème de corrosion Mais dans le choix des puissances injectées, il est alors nécessaire de tenir compte de l'amortissement des vibrations entre les électro-aimants et les bacs. Un seul électro-aimant serait insuffisant, car le mouvement d'éloignement de la tôle 1 par rapport à lui ne serait provoqué que par la gravité de la tôle, compte tenu du fait que la force d'attraction de l'aimant est toujours orientée dans le même sens pendant les alternan- ces positives et négatives du courant, de sorte qu'on ne pourrait ainsi obtenir un résultat satisfaisant. Pour une tôle 1 d'une largeur de 1 mètre envi- ron, un seul couple d'électro-aimants 2, 3 est normale- ment suffisant Par contre, pour une tôle plus large, il peut être nécessaire de mettre en oeuvre 2 ou 3 paires d'électro-aimants réparties sur la largeur de la tôle. Le procédé selon l'invention est aussi applica- ble au décapage de tôles fixes, et non uniquement de tôles en défilement dans des bacs comme indiqué ci-des- sus Il peut aussi être appliqué à des pièces métalliques différentes, telles que des tubes De plus l'invention est également utilisable pour d'autres traitements de surface que le-décapage, par exemple la galvanisation de produits en défilement: dans ce cas l'effet technique obtenu, toujours observé au-delà du seuil de cavitation, réside dans une amélioration de la mouillabilité de la tôle, procurant un gain de qualité du revêtement. Il convient enfin de noter que la distance entre la tôle 1 et les électro-aimants 2, 3 peut être avantageusement asservie, par des moyens connus en soi et non représentés. REVENDICATIONS 1 Procédé de traitement superficiel d'un produit métallique ( 1) séjournant dans une solution réac- tive ( 7), notamment pour son décapage ou sa galvanisa- tion, caractérisé en ce qu'on imprime au produit des vibrations haute fréquence. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'on choisit la fréquence et l'amplitude des -vibrations haute fréquence de manière à provoquer l'éta- blissement dans la solution réactive, de phénomènes de cavitation au voisinage de la surface du produit ( 1). 3 Procédé selon la revendication 2, dans lequel le produit est une tôle ( 1 > d'acier calaminée, immergée dans un bain d'acide ( 7), caractérisé en ce que la fréquence des vibrations du produit est comprise entre environ 4000 Hz et 50000 Hz. 4 Procédé selon la revendication 2, caracté- risé en ce que pour imprimer les vibrations haute fré- quence au produit, on utilise au moins un couple d'élec- tro-aimants ( 2, 3) placés de chaque côté de ce dernier et en regard l'un de l'autre, on les alimente par des cou- rants alternatifs (I) de même fréquence et déphasés de 7 M /2, avec une puissance vibratoire supérieure à celle correspondant au seuil de cavitation de la solution réactive. Procédé selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la fréquence de courant et la puissance vibrato-ire correspondante sont telles qu'elles impriment au produit une accélération d'au moins 6500 m S 2. 6 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un couple d'électro-aimants ( 2, 3) disposés en regard l'un de l'autre de part et d'autre du produit métallique ( 1), pouvant être alimentés par des courants de même fréquence et exercer chacun sur le produit ( 1) une force (F) d'attraction périodique, ces forces exercées par -chaque électro-aimant étant dépha- sées, par exemple de t/2. 7 Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que les électro-aimants ( 2, 3) sont revêtus d'une enveloppe ( 6) de protection contre la solution réactive ( 7) dans laquelle ils sont au moins partielle- ment immergés, par exemple une enveloppe en polymère.