Brevet FR2876710A1 — publié le 20060421

1. Domaine d'application de l'invention Le procédé objet de l'invention concerne les lignes de traitement de bandes d'acier ou d'aluminium utilisant au moins une chambre de refroidissement par jet de gaz ou d'air ou une section de refroidissement par jet de gaz ou d'air, telles que les lignes de traitement thermique, et en particulier les lignes de recuit continu ou telles que les lignes de revêtement, et en particulier les lignes de revêtements métalliques ou non métalliques. Ce procédé permet d'augmenter le refroidissement de la bande tout en évitant les phénomènes vibratoires sur la bande. 2. Etat de la technique Description générale des lignes de traitement des bandes d'acier ou d'aluminium Une chambre verticale de refroidissement d'une ligne de traitement de bandes réalisée suivant l'état de l'art est construite suivant le principe présenté par la figure 1. sur laquelle (1) représente la bande d'acier ou d'aluminium, (2) les éléments de refroidissement, (3) les rouleaux de renvoi supérieurs, (3') les rouleaux de renvoi inférieurs, (4) la chambre de refroidissement d'un four de traitement. La bande (1) est refroidie dans la chambre (4) principalement par les éléments de refroidissement (2) constitués d'ensembles de soufflage de gaz à une température inférieure à la température de bande. Lors de son passage dans la chambre de refroidissement du four de traitement, la bande est refroidie sur ses deux faces par les éléments de refroidissement situés de part et d'autre de la ligne de passe, et en cas de refroidissement sur plusieurs lignes de passe, change de ligne de passe à chaque rouleau de renvoi (3) ou (3'). La courbe de refroidissement de la bande dans la chambre est maîtrisée par l'indexation des différents éléments de refroidissement ou groupe d'éléments de refroidissement fonctionnant de façon identique. Une section verticale de refroidissement de traitement de bandes d'acier ou d'aluminium réalisée suivant l'état de l'art est construite suivant le principe présenté par la figure 2. sur laquelle (1) représente la bande, (2) les éléments de refroidissement. La bande (1) est refroidie dans la section principalement par les éléments de refroidissement (2) constitués d'ensembles de soufflage d'air à une température inférieure à la température de bande. La ligne de passe théorique de la bande est fixée par le rouleau de renvoi lo supérieur (3) et le rouleau de renvoi inférieur (3'). Lors de son passage dans la section, la bande est refroidie sur ses deux faces par les éléments de refroidissement situés de part et d'autre de la ligne de passe. La courbe de refroidissement de la bande dans la chambre est maîtrisée par l'indexation des différents éléments de refroidissement ou groupe d'éléments de refroidissement fonctionnant de façon identique. Productivité de la ligne & qualité du produit final La productivité de la chambre ou de la section de refroidissement est déterminée par la capacité à assurer un transfert thermique de refroidissement afin d'atteindre des températures de bande à la sortie de la chambre ou de la section et des pentes de refroidissement (exprimées en C/s) qui détermine la qualité métallurgique du produit final. Ce transfert thermique est dépendant de la distance de soufflage entre la bande et le système de refroidissement, de la géométrie du soufflage et de la vitesse de soufflage. Le transfert thermique sera plus efficace si la distance de soufflage est petite et/ou si la vitesse de soufflage est importante. L'augmentation de la vitesse de soufflage et la diminution de la distance entre la bande et le système de soufflage engendre à partir d'une certaine limite des vibrations et/ou oscillations de la bande qui peuvent provoquer un contact entre la bande et le système de soufflage (ou les protections du système de soufflage), provoquant des marques (scratchs) incompatibles avec la qualité de surface recherchée et même dans les cas extrêmes des ruptures de bande. Vibrations L'augmentation des performances des lignes de traitement d'acier ou d'aluminium, impose des pentes de refroidissements plus s importantes sur des produits de plus en plus fins et de plus en plus large. Par exemple en ce qui concerne le recuit des bandes d'acier il n'est pas rare de spécifier dans la chambre de refroidissement d'un four lo de recuit continu, des besoins de pente de refroidissement élevées (typiquement supérieures à 80 C/s) pour les aciers DQ (Drawing Quality), DDQ (Deep Drawing Quality) et HSS (High Strenght Steel). Les pentes de refroidissement sont plus faibles (typiquement 20 C/s) pour les aciers de qualité commerciale CQ (Commercial Quality). EP 0 803 583 A2 décrit ce besoin et les diverses applications. Il faut noter que la proportion d'aciers à hautes limites d'emboutissage (par exemple de type DDQ) ou à haute limite élastique (type HSS) augmente de façon significative. De même afin de gagner du poids en particulier dans les applications automobiles, l'épaisseur moyenne des aciers diminue, alors que la largeur moyenne du feuillard à traiter augmente avec l'optimisation des moyens d'emboutissage. Enfin les capacités des lignes de traitement, par exemple les lignes de galvanisation ou de recuit, évoluent vers des capacités plus importantes. Cette évolution combinée des différents paramètres ci-dessus entraîne l'apparition d'un nouveau problème dans les chambres ou les sections de refroidissement, à savoir la vibration de la bande, ce phénomène étant limité ou inconnu dans les équipements réalisés suivant l'état antérieur de la technique. Le phénomène est bien entendu très critique pour les chambres ou sections verticales représentées sur les figures, mais existe également avec une ligne de passe horizontale, bien que atténué par le poids propre de la bande. Le zone de refroidissement après revêtement d'une ligne de galvanisation à chaud présentée par la figure 3. est elle aussi très sensible à ce phénomène. Après revêtement par immersion de la bande d'acier (1) dans l'alliage de zinc en fusion (2), l'épaisseur du revêtement est contrôlée par essorage à l'air ou à l'azote du revêtement liquide. L'essorage est généralement effectué par une paire de buses de soufflage (3) et (3'). La zone de refroidissement verticale (4) qui suit est destinée à figer le revêtement et à atteindre une température au rouleau déflecteur de haut de tour (5) compatible avec le process, en particulier pour éviter toute trace sur le revêtement. L'augmentation des capacités des lignes fait que la hauteur de brin libre entre le dernier rouleau immergé dans le zinc (6) et le rouleau déflecteur de haut de tour (5) peut dépasser 50m sur des lignes de grande capacité. La réduction de cette hauteur, souhaitable pour des raisons io technicoéconomique imposerait des coefficients d'échange plus importants qui là encore génèrent des vibrations non compatibles avec la qualité du produit final. Ces vibrations peuvent engendrer des marques par contact entre la bande et les éléments extérieurs, mais sont également préjudiciables à la régularité du revêtement de zinc; en effet l'un des paramètres essentiel de l'essorage est la distance entre la buse de soufflage (3) ou (3') et la bande (1), dont la ligne de passe est idéalement fixe. Les vibrations entraînent un changement de ligne de passe dans le sens longitudinal et/ou transversal de la bande et donc un revêtement non uniforme. Etat de l'art Afin de limiter les effets indésirables des vibrations de bande, on a tenté, dans une technique antérieure, de limiter les vibrations par une réduction de la longueur des caissons (ou zones) de soufflage ceci afin d'installer des rouleaux stabilisateurs. Cependant cette technique limite la longueur du refroidissement et donc l'efficacité du refroidissement de la zone, et de plus cette technique impose un contact entre la bande et les rouleaux, incompatible avec des applications dans des zones de refroidissement après galvanisation à chaud car le revêtement n'est pas encore totalement figé. Des systèmes de stabilisation aéraulique ont également été proposés afin de se substituer à des rouleaux stabilisateurs. Ces systèmes sont relativement efficaces et peuvent contribuer au refroidissement mais ils ne sont pas optimisés pour favoriser le coefficient d'échange et donc pour optimiser le refroidissement. En outre la consommation d'énergie est relativement importante. Une autre tentative est d'augmenter la traction de bande, cette solution n'est envisageable que pour des bandes d'épaisseur importante, et pour des températures de bande réduites, en effet les contraintes thermomécaniques générées sur des bandes fines à haute température peuvent dépasser la limite élastique et peuvent engendrer déformations permanentes et même des casses de bande. Une autre solution consiste à contrôler les vibrations en adaptant la vitesse de soufflage et/ou la distance entre la bande et le soufflage et/ou le débit de soufflage en cas d'apparition de vibrations. Ceci entraîne une limitation de l'efficacité du refroidissement et donc des performances de l'installation. Une autre solution (suivant figure 4.) pour favoriser un écoulement latéral du gaz soufflé, consiste à adjoindre des tubes de soufflage (1) (destinés à guider le jet) sur des caissons de soufflage (2) et (2') situés de part et d'autre de la bande (3). Bien que ce système entraîne une amélioration par rapport à des caissons simplement troués, la solution n'est pas satisfaisante, les flottements de bande observés dans de tels systèmes, conduisent soit à des détérioration des tubes lorsque la bande est épaisse, soit à des casses de bande lorsque la bande est fine. Comme l'évacuation du gaz après soufflage ne peut se faire que vers le bord des caissons soit dans la sens de défilement de la bande soit latéralement, il s'ensuit un débit important de gaz circulant parallèlement à la bande, dans un volume confiné entre la bande et les caissons vers les bords des caisson. La présence de tubes augmente le volume disponible confiné entre la bande et les caissons, par rapport à des caissons simplement troués. Sur la figure 5. qui est une vue suivant A de la figure 4., les simulations de mécanique des fluides sur des géométries industrielles, montrent que quand la bande (3) est décentrée vers un caisson, ici le caisson (2'}, la résultante des pressions sur la bande exerce une force F tendant à rapprocher encore plus la bande du caisson. Le système est donc instable et n'a pas tendance à stabiliser la bande dans une ligne de passe centrée entre les caissons.. Sur la figure 6. qui est également une vue suivant A de la figure 4., les simulations de mécanique des fluides sur des géométries industrielles, montrent que quand la bande (3) est inclinée, la résultante des pressions sur la bande exerce un couple C, tendant à incliner encore plus la bande tendant à rapprocher les bords de la bande des caissons. Le système est là aussi instable et n'a pas tendance à stabiliser la bande dans une ligne de passe centrée entre les caissons. Les résultats des figures 5. & 6 sont démontrés par simulation de logiciels de mécanique des fluides par calcul de la résultante des pressions sur chaque face de la bande. La résultante des pressions sur chaque face de la bande est la résultante de pressions positives sur la bande situées dans des zones sensiblement au droit des tubes de soufflage et de dépressions dans les parties qui ne sont pas situées au droit de ces tubes. Une tentative de canaliser le flux du gaz soufflé par une inclinaison des tubes vers les bords de la bande, principalement pour améliorer le refroidissement, a été décrite, mais la modélisation conduit seulement à une légère amélioration des effets décrits suivant les figures 5. et 6. Suivant une autre conception et afin de limiter le flux de gaz dans une direction parallèle à la bande, une solution communément utilisée et représentée suivant les figures 7. et 8. consiste à utiliser des buses de soufflage (1), troués de plusieurs trous circulaires (2), oblongs ou en forme de fente, permettant un soufflage sur la bande (3) dans une direction normale ou pas au plan de la bande. Même si le confinement entre la bande et les buses de soufflage est plus réduit et permet une reprise des gaz dans une direction normale au plan de la bande entre les tubes de soufflage, ce confinement engendre des effets de pression conduisant aux même phénomènes que ceux décrits sur les figures 5. et 6. Ce résultat peut être démontré par une modélisation des pressions engendrées par cette configuration et la bande n'est pas stabilisée dans une ligne de passe optimale, c'est à dire centrée entre les buses. Enfin EP 1 067 204 Al décrit une solution de suppression des vibrations par ajustement de la pression et/ou du débit de gaz soufflé dans le sens transversal de la bande. Outre la complexité du réglage à adapter à chaque produit à traiter, cette méthode présente deux inconvénients majeurs. En premier lieu la bande peut être amenée à ne pas être parallèle aux dispositifs de soufflage, réduisant ainsi la distance entre la bande et le dispositif et augmentant le risque de contact. Enfin la capacité de refroidissement n'est pas maximale, la réduction de la vitesse et/ou de la pression sur une face ne peut pas être compensée par une augmentation de vitesse ou de pression sur l'autre face si les limites de vitesse ou de capacité de soufflage sont atteintes. 3. Description de l'invention L'invention consiste à proposer un procédé de refroidissement s optimisant à la fois les aspects thermiques et aérauliques, c'est à dire maximisant le refroidissement, tout en minimisant les vibrations ou les déports de bande par un effet auto-centreur ramenant la bande dans une ligne de passe idéale lorsque elle est déportée ou lorsque elle présente une rotation par rapport à sa ligne de passe théorique. Le principes fondamentaux de l'invention consistent à combiner les avantages d'un confinement minimisé, d'une limitation de la circulation des gaz dans un plan parallèle à la bande avec un soufflage optimisé par des jets dirigés assurant à la fois le refroidissement et la stabilité de la bande. Cette combinaison interdit une solution utilisant des caissons de refroidissement (suivant figures 4. à 6.) qui par essence limitent le volume disponible entre la bande et les caissons (même dans le cas de tubes de soufflage rajoutés). Cette combinaison est également très éloignée d'une solution avec des buses de soufflages troués suivant figures 7. et 8. qui laissent subsister un confinement entre la bande et les buses. De plus l'épaisseur courante réduite des buses de soufflage ne permet pas de diriger les jets par simple percement ou usinage des buses de soufflage. 4. Exposé de moyens de mise en oeuvre de l'invention Un exemple de mise en oeuvre de l'invention dans une chambre ou une zone de refroidissement consiste à combiner les actions suivantes: É Possibilité de reprise des gaz soufflés après impact sur la bande dans une direction sensiblement normale au plan de la bande par utilisation des buses de soufflage de section préférentiellement circulaire, oblongue, carrée ou rectangulaire ou polygonale permettant une reprise des gaz soufflés dans les espaces situés entre les buses. É Limitation du confinement entre la bande et les dispositifs de soufflage en augmentant le volume disponible entre les buses de soufflage et la bande afin d'avoir une force (respectivement un couple) de rappel ramenant la bande dans sa ligne de passe théorique lorsque elle présente un déport (respectivement une rotation) par rapport à sa ligne de passe théorique, ceci sans augmenter la distance de soufflage. Cette limitation du confinement peut être réalisée en augmentant la distance entre la bande et les buses sans augmenter la distance de soufflage par utilisation de tubes creux de soufflage fixés sur les buses en une ou plusieurs rangees. É Canalisation ou guidage les jets de soufflage vers les bords de bande afin d'avoir une force (respectivement un couple) de rappel ramenant la bande dans sa ligne de passe théorique lorsque elle présente un déport (respectivement une rotation) par rapport à sa ligne de passe théorique. Cette orientation des jets par inclinaison de tout ou partie des tubes par rapport à la direction normale au plan de la bande est compatible avec un refroidissement optimisé, c'est à dire un maillage des points d'impact du gaz soufflé sensiblement constant et une distance de soufflage sensiblement constante. Ainsi le refroidissement et la stabilité de bande sont optimisés. Exemple de réalisation du procédé suivant l'invention Un moyen de mise en oeuvre de l'invention peut être réalisé et 25 décrit suivant les figures 9. et 10. Suivant la figure 9., des buses de soufflage (1) sont situées de part et d'autre de la bande (3). Les buses de soufflage ont préférablement une section circulaire, mais peuvent suivant d'autres modes de réalisation de l'invention avoir une section oblongue, triangulaire, carrée, rectangulaire ou polygonale Des tubes de soufflage creux (2) sont fixés sur les buses. Ces tubes sont disposés soit suivant une rangée située dans un plan normal à la bande, soit suivant plusieurs rangées. La disposition et le nombre de rangée des tubes de soufflage doit être prévue afin d'avoir un maillage des points d'impact sur la bande sensiblement équidistant pour optimiser le refroidissement et limiter les contraintes thermomécaniques sur la bande. La figure 9. représente deux rangées de tubes inclinés par rapport à un plan normal à la bande, afin d'avoir des zones d'impact des jets sensiblement équidistantes (distance i).Le maillage des points d'impact du soufflage est ainsi optimisé. La distance d entre les buses de soufflage permet une reprise des gaz dans une direction sensiblement normale au plan de la bande, ce qui permet de diminuer les dépressions entre les zones d'impact. La distance D entre les buses et la bande est également plus importante que celle qui existerait avec des tubes simplement troués à distance de soufflage égale. Les tubes (1) sont également inclinés vers les bords de la bande lo comme le représente la figure 10. qui est une vue suivant B de la figure 9. Cette inclinaison peut concerner tout ou partie des tubes suivant différents modes de réalisation de l'invention. Ceci canalise le flux résiduel de gaz (c'est à dire le flux non évacué vers une direction arrière perpendiculaire au plan de la bande après échange thermique avec la bande) dans des directions préférentielles vers les bords de bande tendant à stabiliser la bande. Un des paramètres de performance de refroidissement est la distance de soufflage, c'est à dire la distance du jet entre l'extrémité d'un tube et le point d'impact correspondant du jet émis par ce tube. Afin de conserver une capacité de refroidissement homogène sur la bande quelle que soit l'inclinaison des tubes, la longueur de chaque tube peut être déterminée en fonction de son inclinaison Mn d'avoir des distances de jet sensiblement constantes et donc une capacité de refroidissement homogène. En pratique la longueur des tubes est d'autant plus grande que l'inclinaison par rapport à un axe perpendiculaire au plan de la bande est grande. Les modélisations numériques montrent un effet optimal de stabilisation pour un angle d'inclinaison des tubes inférieur à 15 vers les bords de bande. La modélisation numérique de cette configuration montre un effet autostabilisateur lors d'un décentrement ou d'une rotation de la bande par rapport à la ligne de passe théorique. La résultante des pressions a tendance à ramener la bande au centre. A noter que le rappel de la bande en position s'effectue sans réglage particulier, sans action d'opérateur ou de calculateur et que la capacité de refroidissement optimale est préservée. 5. Avantages apportés par l'invention É Gain de productivité de la ligne, par application d'une capacité 5 de refroidissement supérieure à des solutions conventionnelles sans vibration de bande, É Gain de qualité et de productivité par garantie de non marquage de bande par contact du aux vibrations (et conséquences associées: production de second choix, ralentissement de ligne, casse de bande), É Gain de flexibilité par la disparition de tout réglage et/ou action visant à réduire l'apparition de vibrations dans les 15 solutions traditionnelles, É Augmentation de capacité des installations. Le procédé réduit les vibrations tout en optimisant le refroidissement ce qui permet de réduire la distance entre appuis de bande dans les chambre ou les zones de refroidissement. Un exemple d'avantage particulièrement important est la possibilité de réduction de hauteur des tours de refroidissement après galvanisation à chaud suivant la figure 3. REVENDICATIONS 1) Procédé d'amélioration de la capacité ou de la qualité de refroidissement d'une chambre de refroidissement à gaz soufflé ou d'une section de refroidissement à air soufflé d'une ligne de traitement thermique de l'acier ou de l'aluminium et/ou d'amélioration de la qualité des produits à traiter par réduction des vibrations engendrées par ce refroidissement caractérisé par une combinaison des paramètres suivants: i. Possibilité de reprise des gaz ou de l'air après impact sur la bande dans une direction sensiblement normale au plan de la bande, ii. Augmentation du volume confiné entre la bande et le dispositif de soufflage sans augmentation de la distance de soufflage entre l'origine des jets de gaz ou d'air et la bande, iii. Canalisation ou guidage de tout ou partie du soufflage de gaz ou d'air vers les bords de bande. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la reprise se fasse sans réglage par la détermination d'une géométrie du dispositif de soufflage, 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la reprise des gaz après impact se fasse entre des buses de soufflage constituant une partie du dispositif de soufflage, 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'augmentation du volume confiné entre la bande et le dispositif de soufflage se fasse sans réglage par la détermination d'une géométrie du dispositif de soufflage, 5) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la canalisation ou le guidage du soufflage de gaz ou d'air vers les bords s'applique uniquement à une partie du soufflage, 6) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la canalisation ou le guidage du soufflage de gaz ou d'air se fasse sans réglage par la détermination d'une géométrie du dispositif de soufflage, 7) Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, qui comprend des buses de soufflages situées de part et d'autre de la bande. L'espace entre les buses permet une évacuation de l'air ou du gaz dans une direction sensiblement normale au plan de la bande. Ces buses alimentent des organes de soufflages diminuant la distance entre l'origine des jets de soufflage et la s bande par rapport à la distance entre la bande et les buses. Ces dispositifs permettent également d'orienter tout ou partie des jets vers les bords de la bande. 8) Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les 10 buses de soufflage ont une section circulaire, oblongue, triangulaire, carrée, rectangulaire ou polygonale. 9) Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les organes de soufflage sont des tubes creux fixés sur les buses. 10) Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il existe une ou plusieurs rangées d'organes de soufflage par buse afin d'optimiser le maillage des points d'impact du soufflage sur la bande. 11) Dispositif suivant les revendications 7 et 10, caractérisé en ce qu'il existe deux rangées parallèles d'organes de soufflage par tube afin d'obtenir un maillage sensiblement constant des points d'impact du soufflage sur la bande. 12) Dispositif suivant les revendications 7 et 9, caractérisé en ce que l'orientation des jets se fait par inclinaison de tout ou partie des tubes vers les bords de bande. 13) Dispositif suivant les revendications 7, 9 et 12, caractérisé en ce que les tubes ont des longueurs appropriées afin de garder une capacité de refroidissement homogène en fonction de leur inclinaison. 14) Dispositif suivant les revendications 7, 9, 12 et 13 caractérisé en ce que les tubes ont une longueur d'autant plus importante que l'inclinaison est grande. 15) Dispositif suivant les revendications 7, 9 et 12, caractérisé en ce que les tubes ont une inclinaison inférieure à 15 vers les bords de bande par rapport à un axe perpendiculaire au plan de la bande.