Brevet FR2750438A1 — publié le 19980102

PROCEDE ET INSTALLATION DE REVETEMENT ELECTROLYTIQUE PAR UNE COUCHE METALLIQUE DE LA SURFACE D'UN CYLINDRE POUR COULEE CONTINUE DE BANDES METALLIQUES MINCES L'invention concerne la coulée continue des métaux. Plus précisément, elle concerne le conditionnement de la surface externe du ou des cylindres qui constituent la ou les parois mobiles des lingotières de coulée continue de bandes minces de métaux tels que l'acier. Les lingotières des machines de coulée continue de bandes d'acier de quelques mm d'épaisseur entre deux cylindres directement à partir de métal liquide comportent un espace de coulée défini par les surfaces latérales de deux cylindres tournant en sens contraires autour de leurs axes maintenus horizontaux et par deux plaques latérales en réfractaire plaquées contre les chants des cylindres. Ces cylindres ont un diamètre pouvant atteindre 1500 mm et une largeur qui, sur les installations expérimentales actuelles, est d'environ 600 à 800 mm. Mais, à terme, cette largeur devra atteindre 1300 à 1500 mm pour satisfaire les impératifs de productivité d'une installation industrielle. Ces cylindres sont le plus souvent constitués par un noyau d'acier autour duquel est fixée une virole en cuivre ou alliage de cuivre, refroidie par une circulation d'eau entre le noyau et la virole ou interne à la virole. Tout comme les surfaces des lingotières de coulée continue classique de blooms, billettes ou brames, la surface de la virole qui est destinée à entrer en contact avec le métal liquide peut être revêtue d'une couche métallique, le plus souvent de nickel, dont l'épaisseur atteint en général 1 à 2 mm. Cette couche de nickel permet d'ajuster le coefficient de transfert thermique de la virole à une valeur optimale (plus faible que si le métal était mis directement au contact du cuivre) pour que la solidification du métal s'effectue dans de bonnes conditions métallurgiques: une solidification trop rapide provoquerait des défauts à la surface du produit. Cet ajustement est effectué en jouant sur l'épaisseur et la structure de la couche de nickel. D'autre part, elle constitue pour le cuivre une couche protectrice qui lui évite d'être trop sollicité thermiquement et mécaniquement. Cette couche de nickel s'use au fil de l'utilisation du cylindre, et doit être restaurée périodiquement par enlèvement partiel ou complet de l'épaisseur subsistante puis dépôt d'une nouvelle couche, mais une telle restauration coûte évidemment moins cher qu'un remplacement complet d'une virole en cuivre nue usée. Le dépôt de nickel est, de préférence, effectué par une voie électrolytique, de la façon suivante. La virole neuve (ou préalablement partiellement ou totalement dénickelée), qui se présente globalement sous la forme d'un cylindre creux en cuivre ou alliage de cuivre tel qu'un alliage cuivre - chrome (1%) - zirconium (0,1%), est montée sur un arbre, grâce auquel elle peut aisément être transportée d'un poste de traitement à l'autre dans l'atelier de nickelage/dénickelage. Après avoir subi différents traitements superficiels préparatoires (polissage, dégraissage, décapage acide...) visant à améliorer l'adhérence du nickel sur le cuivre, la virole est amenée à la station de nickelage électrolytique. Cette station est constituée par un bac contenant la solution de nickelage, au-dessus duquel on peut placer l'arbre en position horizontale et le mettre en rotation autour de son axe. On fait ainsi tremper la partie inférieure de la virole dans le bac, et la mise en rotation de l'ensemble arbre-virole à une vitesse d'environ 10 t/mn, par exemple, permet de réaliser le traitement de l'ensemble de la virole. Lors de l'électrodéposition du nickel, la virole constitue la cathode, et l'anode peut être constituée par un ou plusieurs paniers anodiques en titane immergés dans le bac, fermés par de fines membranes, faisant face à la surface de la virole et contenant des billes de nickel. Si on désire également revêtir de nickel une fraction importante des chants de la virole (qui, lors de la coulée, frotteront contre les plaques latérales en réfractaire et sont donc susceptibles de s'user), on dispose d'autres paniers anodiques face à ces chants. D'autres types d'anodes (solubles ou insolubles) peuvent également être utilisés. En variante, on peut prévoir que la virole reste fixe et que ce soit l'électrolyte qui défile devant elle. L'essentiel est donc de créer un mouvement relatif entre la virole et l'électrolyte qui assure le renouvellement continu de leur interface. Au cours des coulées, le dépôt de nickel subit d'intenses sollicitations, tant mécaniques que thermiques. Et on constate souvent au bout de quelques coulées seulement l'apparition, au voisinage des rives des cylindres, de fissures dans le dépôt de nickel. Ces fissures concernent des zones de quelques cm de large à partir des arêtes de la virole. Elles peuvent entraîner la formation de défauts sur la surface du produit coulé, puisqu'elles rendent son refroidissement hétérogène. Surtout, elles constituent des points faibles à partir desquels peut s'amorcer une dégradation très rapide de l'ensemble du dépôt de nickel. Il peut même y avoir propagation des fissures au-delà du dépôt de nickel, ce qui conduit à une dégradation de l'ensemble de la virole. Elles imposent donc un arrêt immédiat et prématuré de l'utilisation du cylindre et la régénération complète du revêtement de la virole. Comme cette opération est longue (plusieurs jours), une application industrielle du procédé de coulée d'acier entre cylindres supposerait que l'on dispose d'un grand nombre de viroles prêtes à l'emploi pour assurer un fonctionnement régulier de la machine de coulée. La virole étant une pièce très onéreuse, du fait des matériaux employés et de la difficulté de son usinage, cela conduirait à un coût d'utilisation élevé de l'installation. Le but de l'invention est d'améliorer les performances de résistance aux sollicitations thermo-mécaniques du revêtement métallique de la virole, en retardant autant que possible, voire en supprimant l'apparition des fissures en rives, de manière à prolonger la durée moyenne d'utilisation de la virole entre deux réfections de son revêtement. L'invention a pour objet un procédé de revêtement électrolytique par une couche métallique de la surface de coulée d'un cylindre pour la coulée continue de bandes métalliques minces entre deux cylindres ou sur un cylindre unique, selon lequel on immerge au moins partiellement ladite surface de coulée dans une solution d'électrolyte contenant un sel du métal à déposer, face à au moins une anode, on place ladite surface en cathode et on crée un mouvement relatif entre ladite surface de coulée et ladite solution d'électrolyte, caractérisé en ce qu'on interpose entre la ou lesdites anodes et les arètes de ladite surface de coulée des masques isolants évitant une concentration des lignes de courant sur lesdites arètes et dans leur voisinage. L'invention a également pour objet une installation de revêtement électrolytique par une couche métallique de la surface de coulée d'un cylindre pour la coulée continue de bandes métalliques minces entre deux cylindres ou sur un cylindre unique, du type comprenant un bac contenant un électrolyte renfermant un sel du métal à déposer, des moyens pour immerger au moins partiellement dans ledit bac ladite surface de coulée et pour créer un mouvement relatif entre ladite surface de coulée et ledit électrolyte, au moins une anode disposée dans le bac face à ladite surface de coulée, et des moyens pour porter ladite surface de coulée à un potentiel cathodique, caractérisée en ce qu'elle comporte des masques en un matériau isolant interposés entre les arètes de ladite surface de coulée et ladite ou lesdites anodes, lesdits masques évitant une concentration des lignes de courant sur lesdites arètes. Préférentiellement, lesdits masques ont une forme générale en arc de cercle dont le centre de courbure est le même que celui de l'arête de la surface de coulée à laquelle ils font face, et présentent deux bords parallèles placés chacun dans le prolongement de ladite arète à une même distance "d" de celle-ci et reliés par une échancrure en forme de coin dont les côtés sont perpendiculaires l'un à l'autre. Comme on l'aura compris, I'invention consiste à réaliser le dépôt électrolytique du revêtement métallique en disposant des masques isolants au voisinage des rives des viroles. Ces masques, dont un exemple préférentiel est décrit, visent à obtenir une répartition régulière des lignes de courant dans les zones de rives de la virole. Cela confère au dépôt une épaisseur uniforme dans ces zones, conforme à l'épaisseur nominale désirée. Les inventeurs ont constaté qu'il existait une corrélation entre la rapidité de l'apparition des fissures dans le revêtement de nickel au niveau des rives de la virole et la régularité de l'épaisseur de ce dépôt dans ces mêmes zones, en particulier au droit des arètes. En l'absence de tout dispositif particulier visant à empêcher ce phénomène, on constate au voisinage immédiat des arêtes de la virole et au droit de ces arêtes elles mêmes des surépaisseurs dans le dépôt de nickel. Par exemple, si l'épaisseur nominale du dépôt est de 2 mm sur la plus grande partie de la surface de la virole, on constate que cette épaisseur dépasse parfois 7 mm au droit des arpètes. Ces surépaisseurs sont dues à des concentrations des lignes de courant au voisinage immédiat des arpètes. Même si ces concentrations n'existent que sur une portion très limitée de la virole, elles apparaissent suffisantes pour provoquer l'apparition rapide des fissures dont on a parlé. En effet, il s'avère qu'elles rendent possible une formation d'hydrogène qui peut créer des inclusions gazeuses dans le dépôt en formation. D'autre part, ces concentrations rendent inhomogène la structure cristalline du dépôt de nickel, donc sa dureté et sa texture, entre l'arête et le restant de la virole. Un moyen de réduire cette surépaisseur du dépôt consiste à conférer un rayon de courbure de quelques mm à l'arête, au lieu que celle-ci forme un angle vif. Mais dans la pratique, ce rayon ne peut excéder 1 à 2 mm, sinon on augmente exagérément les risques d'infiltration de métal liquide entre les chants des cylindres et les plaques latérales en réfractaire. Un autre moyen connu consiste à dévier les lignes de courant au moyen de dispositifs appelés "voleurs de courant". Ce sont des conducteurs métalliques disposés parallèlement aux arêtes et dans leur voisinage, et parcourus par un courant. Ils vont dévier vers eux une partie des lignes de courant qui, en leur absence, se concentreraient sur l'arête de la virole et dans son voisinage. Mais cette solution utilisée seule n'est pas non plus satisfaisante. D'une part, les emplacements et les paramètres de fonctionnement de ces voleurs de courant doivent être déterminés avec soin, car sinon, en plus de la surépaisseur qui peut subsister au droit de la rive, on peut parfois constater au contraire que la couche de nickel a par endroits une épaisseur inférieure à la normale, signe que les lignes de courant ont été exagérément déviées des zones correspondantes. D'autre part, au fur et à mesure du déroulement de l'électrodéposition, du nickel se dépose sur les voleurs de courant en quantité non négligeable. Il faut donc récupérer ce nickel, et le courant qui a été dépensé pour son dépôt l'a été en pure perte. Mais surtout, ce dépôt de nickel fait varier les dimensions des voleurs de courant, qui plus est d'une manière très irrégulière. L'action des voleurs de courant varie donc très fortement au fur et à mesure du déroulement des opérations, ce qui rend leur gestion très difficile. Dans la pratique, pour une épaisseur du dépôt visée de 2 mm, on observe au mieux sur les arètes un dépôt d'une épaisseur de 2,5 mm, ce qui est encore trop élevé pour résoudre de façon satisfaisante le problème posé. Les voleurs de courant ne peuvent donc permettre d'obtenir de manière fiable une uniformité satisfaisante du dépôt de nickel pour cette application particulière au revêtement des cylindres de coulée continue. Les inventeurs ont constaté que la manière la plus fiable d'obtenir un dépôt de nickel très homogène sur les arètes de la virole et dans leur voisinage immédiat était de disposer des masques isolants, préférentiellement d'une configuration déterminée, à faible distance des arètes, et que dans ces conditions, on parvenait à supprimer les apparitions précoces de fissures dans le revêtement des rives des viroles. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, qui fait référence aux figures suivantes: - la figure 1 qui montre schématiquement vue de profil en coupe transversale selon I-I une installation de revêtement d'une virole de cylindre pour coulée entre cylindres adaptée à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; -la figure 2 qui montre une vue en coupe selon II-II de cette même installation, explicitant la configuration préférentielle des masques selon l'invention; La figure 1 représente en coupe transversale une installation selon l'invention, le plan de coupe étant situé à l'intérieur du bac 1 contenant la solution d'électrolyte 2 dont le composant principal est un sel de nickel, mais en avant de la virole en cuivre 3 plate en cathode et des deux anodes 4, 4' disposées dans le fond du bac 1. La virole 3, de forme extérieure cylindrique et d'un diamètre extérieur de 1500 mm, est montée sur un arbre 5 dont l'axe 6, au cours de l'opération d'électrodéposition, est mis en rotation par des moyens non représentés. Au moins la partie inférieure de la virole 3 trempe dans la solution d'électrolyte 2. Dans l'exemple représenté, les anodes 4, 4' sont des anodes solubles constituées par des paniers anodiques en titane de forme courbe, remplis de granulés de nickel. Ce n'est toutefois qu'un exemple de mise en oeuvre, et on pourrait prévoir un nombre d'anodes différent, ainsi qu'une autre configuration (anode insoluble par exemple). Les anodes 4, 4' s'étendent en arrière du plan de coupe sur une largeur supérieure à celle de la virole 3. Face aux rives de la virole 3 sont disposés des masques 7, 7' (7 étant seul visible sur la figure 1) en un matériau isolant tel qu'un polymère, dont la fonction est d'empêcher les lignes de courant issues des anodes 4, 4' de parvenir directement aux rives et aux arêtes de la virole 3, afin d'éviter les surépaisseurs du dépôt de nickel à leur niveau. Les positions de ces masques 7, 7' par rapport à la virole 3 peuvent être réglées par des moyens de positionnement symbolisés par des tiges mobiles 8. La configuration précise de ces masques 7, 7' est mise en évidence sur la figure 2. Ils se présentent dans l'exemple représenté sous la forme de boudins de section sensiblement carrée ou rectangulaire, ayant la forme générale d'un arc de cercle dont le centre de courbure est le même que celui de l'arête de la virole 3 à laquelle ils font face. Leur bord supérieur le plus proche de la rive où s'exerce leur action présente une échancrure 9, 9' en forme de coin dont les deux bords 10,10' sont perpendiculaires et de longueurs sensiblement égales, de l'ordre par exemple de 5 mm. Les masques 7, 7' sont disposés au moyen des tiges 8 de telle manière que les bords externes 11, 11' des échancrures 9, 9' soient placés chacun sensiblement à une même distance "d" de l'arête 12 de la virole 3 face à laquelle ils sont disposés. Cette distance "d" est, initialement, de l'ordre de 5 mm lorsqu'on désire réaliser un dépôt de nickel de 2 à 3 mm d'épaisseur. D'autre part, les côtés 13, 13' de chaque masque 7, 7' qui sont perpendiculaires à la virole 3 doivent dans cet exemple de mise en oeuvre de l'invention, avoir une longueur minimale de 50 mm. C'est à ces conditions que les masques 7, 7' peuvent suffisamment dévier les lignes de courant pour homogénéiser au mieux leur distribution sur les rives de la virole 3. Optionnellement, on peut prévoir la possibilité d'éloigner progressivement les masques 7, 7' de la virole 3 au fur et à mesure de la croissance de l'épaisseur du dépôt de nickel. Cet éloignement peut être réalisé par étapes successives ou de manière continue. On peut ainsi s'assurer qu'il restera toujours assez d'espace entre le masque et le dépôt pour permettre la croissance du dépôt de nickel. En fonction de la configuration exacte des anodes 4, 4' et des masques 7, 7', le revêtement des chants de la virole 3 s'effectuera d'une façon homogène sur une plus ou moins grande portion de leur surface. Pour augmenter cette portion, on peut, comme dans l'art antérieur auquel on a fait allusion, disposer dans le bac 1 des anodes verticales 21, 21', 21", telles que des paniers anodiques remplis de granulés de nickel, similaires aux paniers anodiques 4, 4' et faisant face aux chants de la virole 3. Il est clair que les masques peuvent être constitués différemment de ceux qui viennent d'être donnés en exemple, dans la mesure où ils permettent d'obtenir l'homogénéité souhaitée pour l'épaisseur du dépôt. En particulier, au lieu d'être constitués par des boudins de section carrée, rectangulaire ou autre, ils peuvent consister en une plaque ou un assemblage de plaques, dont la surface tournée vers la virole aurait préférentiellement la même configuration que celle des boudins de l'exemple. Autrement dit, cette surface doit préférentiellement comporter deux bords parallèles placés chacun dans le prolongement de l'arête de la virole à une même distance "d" de celle-ci et reliés par une échancrure en forme de coin dont les côtés sont perpendiculaires l'un à l'autre. L'invention n'exclut pas que, pour compléter et affiner encore l'action des masques, on ait également recours à des voleurs de courant, intégrés aux masques ou indépendants de ceux-ci, de manière permanente ou intermittente. Bien entendu, l'invention peut être appliquée au dépôt d'autres métaux que le nickel sur la virole. De même, le cylindre ainsi revêtu peut être utilisé non seulement sur une machine de coulée continue de bandes métalliques (en acier ou en un autre matériau) minces entre deux cylindres, mais aussi sur une machine de coulée continue de bandes minces où un cylindre tournant unique vient lécher la surface d'un bain métallique (coulée sur un cylindre). D'autre part, elle peut aussi s'appliquer au cas du revêtement de la surface de coulée d'un cylindre massif où la virole et le noyau ne constitueraient qu'une seule et même pièce. Il est également aisé de la transposer à un cas où la virole ou le cylindre massif pourrait être totalement immergé dans le bain d'électrolyte. Enfin, comme on l'a dit, on peut créer le mouvement relatif entre la virole et l'électrolyte en maintenant la virole fixe et en mettant en mouvement l'électrolyte autour d'elle. Cela peut être fait, en particulier, si la virole est plongée entièrement dans l'électrolyte et si on crée les mouvements de l'électrolyte par des jets convenablement orientés pour le faire circuler autour de la virole entre la ou les anodes. REVENDICATIONS 1) Procédé de revêtement électrolytique par une couche métallique de la surface de coulée d'un cylindre pour la coulée continue de bandes métalliques minces entre deux cylindres ou sur un cylindre unique, selon lequel on immerge au moins partiellement ladite surface de coulée dans une solution d'électrolyte contenant un sel du métal à déposer, face à au moins une anode, on place ladite surface en cathode et on crée un mouvement relatif entre ladite surface de coulée et ladite solution d'électrolyte, caractérisé en ce qu'on interpose entre la ou lesdites anodes et les arètes de ladite surface de coulée des masques isolants évitant une concentration des lignes de courant sur lesdites arètes et dans leur voisinage. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on éloigne progressivement lesdits masques desdites arètes au fur et à mesure de l'augmentation de l'épaisseur de la couche métallique. 3) Installation de revêtement électrolytique par une couche métallique de la surface de coulée (3) d'un cylindre pour la coulée continue de bandes métalliques minces entre deux cylindres ou sur un cylindre unique, du type comprenant un bac (1) contenant un électrolyte (2) renfermant un sel du métal à déposer, des moyens (5, 6) pour immerger au moins partiellement dans ledit bac (1) ladite surface de coulée (3) et pour créer un mouvement relatif entre ladite surface de coulée (3) et ledit électrolyte (2), au moins une anode (4, 4') disposée dans le bac (1) face à ladite surface de coulée (3), et des moyens pour porter ladite surface de coulée à un potentiel cathodique, caractérisée en ce qu'elle comporte des masques (7, 7') en un matériau isolant interposés entre les arètes (12) de ladite surface de coulée (3) et ladite ou lesdites anodes (4, 4'), lesdits masques (7, 7') évitant une concentration des lignes de courant sur lesdites arètes (12). 4) Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits masques (7, 7') ont une forme générale en arc de cercle dont le centre de courbure est le même que celui de l'arête (12) de la surface de coulée (3) à laquelle ils font face, et présentent deux bords (13, 13') parallèles placés chacun dans le prolongement de ladite arète (12) à une même distance "d" de celle-ci et reliés par une échancrure (9, 9') en forme de coin dont les côtés (10, 10') sont perpendiculaires l'un à l'autre. 5)Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits masques (7, 7') sont constitués par des boudins. 6)Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits masques (7, 7') sont constitués par des plaques ou des assemblages de plaques. 7) Installation selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (8) pour éloigner progressivement lesdits masques (7, 7') desdites arètes (12) au fur et à mesure de la croissance de ladite couche métallique. 8) Installation selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte également des anodes (21, 21') disposées chacune face à un chant de ladite surface de coulée (3). 9) Installation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte également des voleurs de courant. 10) Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que lesdits voleurs de courant sont intégrés auxdits masques (7, 7'). 11) Installation selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisée en ce que lesdits moyens pour créer un mouvement relatif entre ladite surface de coulée (3) et ledit électrolyte (2) sont des moyens pour mettre en rotation ladite surface de coulée (3) 12) Installation selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisée en ce que lesdits moyens pour créer un mouvement relatif entre ladite surface de coulée (3) et ledit électrolyte (2) sont des moyens pour mettre en circulation ledit électrolyte (2) autour de ladite surface de coulée (3).