Brevet FR2796965A3 — publié le 20010202

FR 2796965 A3 20010202 FR 9910059 A 19990730 PROCEDE DE TRAITEMENT D'UNE BANDE D'ACIER EN RECUIT BRILLANT. La présente invention a trait à la fabrication des métaux en bandes, notamment des bandes en acier, et concerne plus précisément certains types de fabrication dont les étapes ultimes sont destinées à conférer à la surface du produit un aspect très réfléchissant, dit "brillant", c'est-à-dire réfléchissant la lumière dans des conditions essentiellement spéculaires rappelant la surface d'un miroir. On sait qu'un aspect "brillant" est recherché pour certains types de tôles en acier, en particulier en acier inoxydable. Ce résultat est obtenu, au terme du processus de fabrication, par un traitement de recuit à haute température de la bande métallique en défilement, après les dernières opérations de laminage. Ce recuit, dit "brillant", est impérativement mené à l'abri de tout agent oxydant au contact avec la tôle, de l'oxygène de l'air en particulier, afin d'éviter une réoxydation en surface de la bande à chaud. Il s'agit en effet, dans un premier temps, d'élever fortement la température de la tôle, autour de 1100 C, et l'y maintenir suffisamment longtemps pour permettre l'obtention de l'aspect brillant, puis, dans un second temps, à laisser le produit se refroidir naturellement jusqu'à une température en dessous de laquelle l'oxygène de l'air n'est plus actif, soit autour de 150 C, avant planage et bobinage à l'air libre en vue de sa livraison à la clientèle. Ces opérations successives de chauffage puis de refroidissement sont conduites sous atmosphère inerte, généralement réductrice, notamment constituée par un mélange d'hydrogène majoritaire et d'azote, en tout cas sous une atmosphère exempte d'oxygène libre, au sein d'une installation de recuit continu. Sinon, des phénomènes de réoxydation de la surface de la bande peuvent advenir, surtout à température élevée, qui dégraderaient le brillant de façon rédhibitoire. Par ailleurs, compte tenu de la vitesse de défilement soutenue de la bande métallique à traiter, et du temps de séjour minimal nécessaire au traitement, l'installation de recuit continu requiert une taille conséquente, de plusieurs centaines de mètres linéaires (comptés en mètres de trajet-bande), ce qui, outre le poids financier de l'investissement impliqué par la réalisation de l'ouvrage, accroît singulièrement les difficultés à y maintenir la bande en permanence totalement à l'abri de tout risque d'oxydation tout du long de son parcours. Des recherches sont constamment menées de nos jours pour réduire la taille des installations nouvelles de recuit continu brillant ou, exprimé de façon équivalente, pour améliorer la productivité des installations existantes en y réduisant le temps de séjour de la bande. L'une des voies de recherche tend à accroître la vitesse de chauffage de la bande. Une autre, dans laquelle s'inscrit l'invention, vise à réduire la durée de refroidissement en substituant un refroidissement forcé au refroidissement naturel pratiqué actuellement. Il s'agit en l'espèce à la fois d'identifier des liquides, ou familles de liquides, de trempe, et déterminer leurs conditions de mise en oeuvre, pour permettre, après la phase de recuit brillant à haute température (environ 1100 C pour les aciers inoxydables) en atmosphère N,2-H,2, de réaliser une vitesse de refroidissement très rapide, à savoir de l'ordre de 300 à 400 C/sec, donc nettement plus rapide que le procédé industriel actuel de refroidissement naturel sous N2-H2, tout en préservant à l'identique l'aspect "brillant" de la surface. Tel est le but de la présente invention. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de traitement d'une bande d'acier en défilement dans un four de recuit "brillant" au sein duquel la bande est d'abord chauffée à haute température sous atmosphère non oxydante pour conférer à sa surface un aspect "brillant", avant d'être refroidie ensuite, également sous atmosphère non- oxydante, jusqu'à une température à laquelle l'atmosphère naturelle n'est plus oxydante à l'égard de la surface du métal, procédé caractérisé en ce qu'on refroidit la bande en effectuant un refroidissement forcé par un liquide de refroidissement de contact constitué par de l'eau préalablement désoxygénée. Selon une variante préférée, l'eau est préalablement désoxygénée par barbotage d'un gaz ou mélange de gaz sous pression identique à celui utilisé pour former l'atmosphère non oxydante à laquelle la bande est soumise dans le four de recuit, et, avantageusement, l'eau est projetée pneumatiquement sur la surface de la bande à refroidir à l'aide d'un gaz vecteur formé par ledit gaz ou mélange de gaz de barbotage. Selon une autre variante de mise en oeuvre avantageuse, l'eau utilisée est de l'eau distillée, tout au moins dans la partie finale de la période de refroidissement à l'eau. On aura compris que l'invention repose sur la découverte, surprenante il est vrai, que l'eau pouvait tout à fait être un liquide de refroidissement approprié à la fonction recherchée, alors que ses propriétés oxydantes à l'égard du métal chaud sont notoirement connues, pourvu qu'on ait simplement pris soin de bien le désoxygéner au préalable. L'invention sera bien comprise, et d'autres aspects et avantages apparaîtront au vu de la description qui suit donnée en référence à la figure unique annexée illustrant schématiquement une installation de base pouvant convenir pour la mise en oeuvre de l'invention. Cette installation, fonctionnellement représentée, comprend: - un four de recuit brillant 1 de type connu comportant une zone de chauffe 2 habituelle, suivie, dans le sens du défilement de la bande d'acier à traiter 4 indiqué par la flèche horizontale, par une zone de refroidissement 3. Les deux enceintes 2 et 3, qui n'en font qu'une en réalité, sont placées sous atmosphère N,2-H,2 (25% N,2-75% H,2). La zone de chauffe est équipée de moyens de chauffage puissants aptes à monter la température de la bande 4 à 1100 C/s dans un court intervalle de temps, de trois minutes environ. Conformément à l'invention, la zone de refroidissement 3 est du type à refroidissement forcé par mise de la bande 4 au contact d'un liquide de refroidissement, et comporte à cet effet une rampe d'aspersion 5 multi-buses. - une enceinte isobare 6 constituant un réservoir de liquide de refroidissement 7, en l'espèce de l'eau distillée, et dans lequel une préparation de ce liquide avant utilisation va avoir lieu conformément à l'invention. A sa partie supérieure, ce récipient comporte une entrée d'eau 8, et une entrée 9 de gaz sous pression qui se prolonge par une canne plongeante 10 débouchant sous le niveau du liquide de refroidissement 7, et de préférence le plus près possible du fond du réservoir. L'entrée 9 est reliée à une source 11 de gaz sous pression. Le réservoir 6 comprend en outre, à sa partie inférieure, une sortie d'eau 12 reliée, par une vanne 14 de réglage du débit, à une conduite 13 d'alimentation de la rampe d'arrosage 5. A la partie supérieure du réservoir, est également prévu un manomètre taré 15 destiné à mettre l'enceinte sous pression, par exemple sous 2 bars. - Un circuit de recirculation de l'eau utilisée 7' comprenant un filtre nettoyant 16, une pompe de recyclage 17 et un raccord trois-voies 18 monté en extrémité de la conduite d'arrivée 8 et dont l'autre entrée reçoit de l'eau distillée neuve en quantité ajustée pour compenser les inévitables pertes en utilisation (fuites, évaporation...) La bande d'acier en défilement 4, après élévation de sa température à 1100 C par passage dans la zone de chauffage 2 du four et maintien à cette température jusqu'à obtenir le brillant de surface voulu, passe sous la rampe d'arrosage 2, où se produit un refroidissement vigoureux par projection de l'eau venant du récipient 6 et véhiculé par le gaz sous pression venant de la source 11. Conformément à l'invention, la source 11 est une source en gaz chimiquement inerte à l'égard du métal de la bande d'acier 4, et en tous cas non-oxydant. C'est la pression de ce gaz dans l'enceinte 6 qui sera le moteur pour amener l'eau de refroidissement 7 au contact de la bande 4 via la rampe de projection 5. Comme ce gaz vecteur va par conséquent devoir in fine se mélanger à l'atmosphère du four de recuit, on optera de préférence pour le même gaz réducteur que celui servant déjà à inerter le four, à savoir, dans l'exemple considéré, pour un mélange N2-H2, ou pour l'un seulement de ses constituants, NZ ou H2. Un aspect "clé" de l'invention est que le gaz, ou le mélange gazeux, délivré par la source 11 doit servir de gaz de barbotage du réservoir 6 afin de débarrasser la masse d'eau de refroidissement 7 qui y est contenue de son oxygène dissous. C'est précisément pour favoriser l'effet de barbotage, illustré sur la figure par les bulles de gaz 15 qui s'échappent de l'extrémité libre de la canne plongeante l0,que celle-ci doit déboucher de préférence à un niveau le plus bas possible dans ce réservoir 6. Ce système à récipient sous pression, contrôlé par le gaz de désoxygénation lui même du liquide de refroidissement, assure un entraînement de ce dernier vers la sortie 12 du réservoir 6 uniquement gouverné par le gaz vecteur inerte de barbotage. Ceci permet de rendre l'eau de refroidissement exempt d'oxygène libre dissous et d'éviter ainsi une oxydation "à chaud" de la surface de la bande d'acier 4 aux premiers instants de contact avec l'eau de refroidissement sous la rampe d'arrosage 5. Cette solution permet en outre de s'affranchir des problèmes inhérents aux systèmes plus classiques d'entraînement mécanique des liquides (pompes...), lesquels n'autorisent pas une désoxygénation très poussée des liquides circulant. De plus, et là est l'un de ses atouts déterminants, elle préserve l'aspect brillant de la surface de la bande d'acier 4 obtenu lors du passage au four de recuit, tout en procurant un refroidissement de la bande, depuis sa température de 1100 C lors de son arrivée sous la rampe d'arrosage 5, jusqu'à la température ambiante avec une vitesse moyenne élevée, de l'ordre de 300 C par seconde. Ainsi, la mise en oeuvre de l'invention au niveau industriel permettra de réduire la taille de l'installation de recuit à ériger dans des proportions appréciables. Pour les installations de recuit brillant existantes, sa mise en oeuvre procurera un gain de productivité de l'ordre de 9 t/h (gain de plus de 60%), grâce à une augmentation possible de 0,6 m/sec environ de la vitesse de défilement de la bande d'acier 4. Un atout primordial de l'invention réside cependant dans le fait que ces résultats peuvent être obtenus avec un liquide de refroidissement qui n'est autre que de l'eau, autrement-dit avec le liquide, par nature, le plus aisé de tous à manipuler et à s'approvisionner. Certes, on aura avantage à opter pour de l'eau déminéralisée, et de préférence même distillée, mais l'expérience a montré que l'on peut réussir sans difficultés particulières un recuit brillant sous refroidissement accéléré à l'eau, dans la mesure où celle-ci a été bien désoxygénée au préalable. Des résultats obtenus à ce propos par des essais menés au laboratoire dans des conditions industrielles simulées sur une bande d'acier inoxydable sont consignés dans le tableau ci après. L'acier inoxydable constitutif de la bande-test était une nuance de type FS30 et présentait la composition pondérale suivante: C: 0.05%; Si: 0.28 %; Mn: 0.44 %; Ni: 0.14 %; Cr: 16.1 %; Cu: 0.12 %. (Etat de surface par rapport à la référence notée + +) débit liquide de refroid.: 16 1/mn débit liquide de refroid. 1,6 1/mn Eau distillée + + + (léger voile d'oxydation) (sous N2) Eau distillée - (oxydation) - - (oxydation) (sous air) Eau distillée - - (oxydation) - - (oxydation) (sous 02) On observera que la brillance n'est pas une grandeur aisée à quantifier. Les états de surface ont donc été appréciés d'abord "à l'oeil nu" en prenant pour référence l'aspect "brillant" de la surface d'un échantillon de bande recuite puis refroidie par le procédé industriel classique sous N,-H2. Les résultats obtenus montrent clairement que deux paramètres interviennent de façon déterminante: la nature du gaz vecteur utilisé et le débit d'eau de refroidissement désoxygénée en sortie des buses de la rampe de projection - Concernant le débit d'eau de refroidissement issu de chaque buse, on observe (col 2 du tableau ) qu'un débit important, ici 16 t/min, conduit à un phénomène de trempe qui n'engendre aucune dénaturation surfacique du métal. Autrement-dit, l'état de brillance de la surface de la bande d'acier 4 au terme de la projection d'eau de refroidissement par la rampe 5 est identique à l'échantillon de référence. En revanche, une diminution importante de débit d'eau, en l'occurrence de 90% (col.3 du tableau), ce qui l'amène à 10% du débit maximal de l'appareillage utilisé pour les essais (i.e. 1,6 I/mn), provoque une altération de la brillance de la surface métallique, probablement en raison d'un phénomène de cracking thermique partiel de l'eau au contact de la surface métallique très chaude avec, pour conséquence, formation d'oxygène natif. - La nature du gaz vecteur est un autre facteur essentiel qui intervient au premier ordre sur la qualité de l'aspect de surface de la bande d'acier traitée. Les expériences ont montré en effet, qu'avec un liquide de refroidissement tel que de l'eau distillée, dans lequel l'oxygène de l'air dissous augmente le potentiel oxydant, la saturation par un gaz inerte sous pression, grâce à l'élimination de l'oxygène libre qu'il contient, permet de la rendre chimiquement inactive vis à vis de l'acier, même à haute température. Afin de mieux encore mettre en lumière cette caractéristique essentielle de l'invention, à savoir que c'est bien le traitement préalable de l'eau de refroidissement qui inhibe son potentiel oxydant, des contre-expériences de recuit brillant "rapide" ont été menées en saturant de l'eau avec des gaz de barbotage de plus en plus oxydant: air, puis oxygène pur. Les résultats, consignés dans les dernières lignes du tableau, montrent que, même à fort débit de liquide de refroidissement, l'état de surface de la bande d'acier 4 est d'autant plus oxydé que la teneur du gaz vecteur en oxygène est élevée. On notera par ailleurs que des résultats quasiment identiques à ceux indiqués dans le tableau ont été obtenus sur des nuances plus oxydables que la nuance FS 30 exemplifiée ici (Aciers extra doux, IFTI,...) Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter à l'exemple décrit, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où est respectée sa définition donnée par les Revendications jointes. Ainsi, par eau , il faut bien entendu entendre ici, non seulement de l'eau pure, mais également toute solution aqueuse d'un composant non susceptible de favoriser la rétention d'oxygène dissous, ou pouvant autrement favoriser l'oxydation à chaud du métal. De fait, on pourra le cas échant ajouter à l'eau de refroidissement un adjuvant, tel que de l'hydrazine, connu pour permettre une meilleure élimination de l'oxygène libre dissous dans l'eau. Cet adjuvant peut être avantageusement utilisé en complément du dégazage dans le récipient sous pression 6. De même, pour réduire encore le coût de fonctionnement, on pourra segmenter la rampe 5 en éléments distincts se succédant dans le sens de défilement de la bande 4 afin de pouvoir utiliser de l'eau naturelle dans les premières buses et n'employer de l'eau distillée que dans les éléments de rampe terminaux. REVENDICATIONS 1) Procédé de traitement d'une bande d'acier en défilement dans un four de recuit "brillant" au sein duquel la bande est d'abord chauffée à haute température sous atmosphère non oxydante pour conférer à sa surface un aspect "brillant", avant d'être refroidie ensuite, égaiement sous atmosphère non-oxydante, jusqu'à une température à laquelle l'atmosphère naturelle n'est plus oxydante à l'égard de la surface du métal, procédé caractérisé en ce que l'on réalise ledit refroidissement de la bande d'acier en défilement (4) en effectuant un refroidissement forcé avec de l'eau préalablement désoxygénée (7). 2) Procédé de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise la désoxygénation préalable de l'eau de refroidissement (7) par barbotage d'un gaz, ou mélange de gaz, identique à celui utilisé pour former l'atmosphère non oxydante à laquelle la bande d'acier (4) est soumise dans le four de recuit brillant (1). 3) Procédé de traitement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on effectue le refroidissement de la bande (4) en projetant l'eau de refroidissement (7) sur sa surface à l'aide d'un gaz vecteur formé par ledit gaz, ou mélange de gaz, de barbotage. 4) Procédé de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour réaliser ledit refroidissement, on utilise de l'eau distillée. 5) Procédé de traitement selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce que l'on ajoute à l'eau de refroidissement (7) un adjuvant favorisant l'élimination de l'oxygène dissous.