Brevet FR2900661A1 — publié le 20071109

PERFECTIONNEMENT APPORTE AUX SECTIONS DE CHAUFFAGE RAPIDE DES LIGNES DE TRAITEMENT THERMIQUE EN CONTINU. La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux sections de chauffage des lignes continues de traitement thermique de bande métalliques. Elle se propose tout particulièrement de réduire le risque de plis d'origine thermique qui se forment sur des bandes métalliques soumises à un chauffage rapide dans des lignes continues de traitement thermique, dans lesquelles lesdites bandes sont amenées à traverser des zones de chauffage rapide munies de moyens de chauffage discontinus. Par chauffage rapide on désigne un chauffage qui assure une montée en température de la bande selon un gradient d'au moins 100 C/seconde en début de chauffage. Afin de bien situer le domaine technique auquel s'applique la présente invention, on se réfère en premier lieu à la Figure 1 des dessins annexés qui représente de façon schématique un exemple de section de chauffage d'une bande métallique dans une ligne de traitement thermique. 20 Sur cette Figure 1 on voit que la bande 1 traverse la section de chauffage rapide 2 en passant sur un rouleau d'entrée 3 et un rouleau de sortie 4. Durant la traversée de la section 2, la bande 1 est exposée successivement à quatre moyens de chauffage 5 distincts, respectivement 5a, 5b, 5c, 5d, positionnés de part et d'autre 25 de la bande et distants selon la direction de défilement de la bande d'une distance A, par exemple Aab entre les moyens de chauffage 5a et 5b. Les moyens de chauffage 5 permettent une élévation rapide de la température de la bande, selon un gradient d'au moins 100 C/seconde , en l'exposant à un flux 30 calorifique important. Le procédé mis en oeuvre par ces moyens de chauffage rapide est par exemple le chauffage par induction à flux longitudinal ou à flux transversal. Le chauffage peut être réalisé à l'air ou sous une atmosphère non oxydante pour la bande.15 Comme représenté en Figure 2, entre deux moyens de chauffages 5 distincts, la bande n'est plus exposée à un flux d'apport calorifique. La bande est donc soumise à une discontinuité de la chauffe. Selon la qualité de l'isolation entre ces deux moyens de chauffage, au mieux la température de la bande atteinte à la sortie d'un moyen de chauffage est maintenue jusqu'à son entrée dans le moyen de chauffage suivant. La température de la bande peut également diminuer en raison de pertes calorifiques. Cette discontinuité de la chauffe induit des contraintes transversales de traction et 10 des contraintes transversales de compression dans la bande, perpendiculaires à l'axe de la bande. Le phénomène à l'origine de ces contraintes est décrit ci-après. Le chauffage rapide provoque une dilatation du matériau de la bande suivant des directions parallèles et perpendiculaires à la direction de défilement de la bande. 15 La dilatation suivant la direction de défilement de la bande est compensée par le dispositif de contrôle de traction de bande dont est munie la section de chauffage ou la ligne dans laquelle cette section de chauffage est intégrée. La dilatation s'effectuant selon la direction perpendiculaire au défilement de la 20 bande génère des forces au sein du matériau. Ce sont des forces de traction lorsqu'elles sont dirigées de l'axe vers les rives de la bande et des forces de compression lorsqu'elles sont dirigées vers l'axe de la bande. Sur toute la longueur du moyen de chauffage 5, si l'intensité du flux de chauffage 25 de la bande est constante, il n'existe pas de différence importante entre les forces de compression existant dans une section de la bande et celle qui la précède dans la direction de défilement de cette bande. Lorsque la bande entre dans le premier moyen de chauffage 5 ou les suivants, elle 30 subit une variation positive très rapide de l'intensité du flux calorifique reçu correspondant à la reprise du chauffage. Ce changement de taux de variation de la fonction (dTempérature/dtemps) conduit à des forces de traction dans la bande- De même, lorsque la bande quitte un moyen de chauffage 5, elle subit une variation négative très rapide de l'intensité du flux calorifique reçu correspondant à l'arrêt du chauffage. Ce nouveau changement du taux de variation de la fonction (dTempérature/dtemps), ou (dTempératureldLongueur), conduit à des forces de compression dans la bande. La Figure 3 des dessins annexés représente la variation de ces contraintes lors du chauffage de la bande. La courbe Ti représente l'élévation de température de la bande, entre Ta et Tb, lors de son passage dans un moyen de chauffage 5. La courbe Cl correspond au niveau de contrainte transversale dans la bande. La ligne horizontale H passant par le point 0 des contraintes portées selon l'axe des ordonnées correspond à une contrainte transversale nulle. Un point de la courbe Cl situé au-dessus de la ligne H correspond à une contrainte de traction, notée positive, tandis qu'un point de la courbe Cl situé au-dessous de la ligne H correspond à une contrainte de compression, notée négative On voit clairement que, à chaque changement du taux de variation de la fonction (dTempérature/dtemps), ou (dTempérature/dLongueur), correspondant à une modification de la pente de chauffage sur Ti, il apparaît un pic correspondant de la valeur absolue de contrainte sur la courbe Cl. Le premier pic de contrainte Ca correspond au point Ta de la courbe T1 où débute l'accroissement de température. Il s'agit d'une contrainte de traction. Le second pic de contrainte Cb correspond au point Tb de la courbe Ti où s'arrête l'accroissement de température. Il s'agit d'une contrainte de compression. L'importance de ces pics de contrainte dépend du format de la bande et de la variation de pente de la courbe de température en Ta et Tb, c'est-à-dire de la variation de la vitesse de chauffage au point de la courbe qui correspond au moment où la bande pénètre ou quitte la zone de chauffage correspondant à un moyen de chauffage 5. Les contraintes perpendiculaires à l'axe de la bande qui produisent des forces de compression peuvent générer, si elles atteignent un niveau trop important, des défauts de qualité de surface de la bande tels que des ondulations, des cloques, des plis ou des cassures. Ces défauts de surface peuvent prendre des formes variées, ils peuvent être continus sur la longueur de la bande ou discontinus, ils peuvent être parallèles à l'axe de la bande ou serpenter sur sa largeur. Ils peuvent être uniques ou se développer suivant la forme de plusieurs plis parallèles continus, discontinus, linéaires ou selon une courbe régulière ou non. Pour simplifier les explications, le terme de plis est utilisé par la suite pour désigner l'ensemble des défauts de la bande provoqués par des contraintes transversales de compression excessives. ~o Ces défauts apparaissent lorsque le niveau de contraintes transversales de compression dans la bande est supérieur à un seuil de contraintes qui constitue une limite appelée contrainte critique qui dépend principalement : . de la composition et des propriétés mécaniques de la bande, de son état métallurgique, 15 . de la température de la bande, . du format de la bande, sa largeur et son épaisseur. Le niveau de contrainte critique de compression au-delà duquel un défaut de surface est généré est proportionnel à la résistance mécanique du matériau de la 20 bande. Comme la résistance mécanique de la bande décroît lorsque la température augmente, et ce de plus en plus rapidement au fur et à mesure que la température augmente, le niveau de contrainte critique de compression se réduit également avec la température, augmentant d'autant le risque de formation de plis au fur et à mesure que la température de la bande augmente. 25 Selon l'état de la technique les sections de chauffage rapide des lignes continues de traitement thermique de bandes métalliques sont dimensionnées sans prendre en considération le risque de formation de plis. De ce fait, pour une section de chauffage donnée, les opérateurs en charge de l'exploitation de la ligne doivent, en 30 l'absence de méthode connue, adapter par tâtonnements successifs le réglage du four jusqu'à trouver un point de fonctionnement limitant ces défauts. Ces réglages conduisent à un fonctionnement du four n'exploitant pas pleinement la puissance disponible ce qui conduit à une perte de production, par exemple lorsque les opérateurs sont amenés à diminuer la vitesse de défilement de la bande. L'invention a pour but, surtout, de fournir un procédé qui permet de limiter la formation des plis dans la bande en cours de chauffage rapide tout en conservant la vitesse nominale de la bande dans sa traversée de la section de chauffage rapide, c'est-à-dire sans perte de production. Selon l'invention, le procédé de réduction de la formation de plis sur des bandes métalliques soumises à un chauffage rapide dans des lignes continues de traitement thermique, dans lesquelles lesdites bandes sont amenées à traverser ~o des sections de chauffage comportant des moyens de chauffage successifs et distincts, est caractérisé en ce que la pente moyenne de l'augmentation de température de la bande entre l'entrée et la sortie d'un moyen de chauffage diminue d'un moyen de chauffage au moyen de chauffage suivant. 15 Avantageusement, le rapport de la différence de température de la bande, entre la sortie et l'entrée d'un moyen de chauffage, à la distance entre la sortie et l'entrée de ce moyen de chauffage diminue d'un moyen de chauffage au moyen de chauffage suivant. 20 La pente instantanée de l'augmentation de température de la bande entre l'entrée et la sortie d'un moyen de chauffage, en fonction de la distance parcourue, est de préférence plus forte à l'entrée du moyen de chauffage que vers la sortie de ce moyen de chauffage. 25 La différence d'intensité de chauffage entre deux moyens de chauffage successifs peut être réduite progressivement pour être faible à haute température de sorte que la variation de la vitesse de chauffage en tous points de la bande se réduise au fur et à mesure que la température de la bande augmente. 30 L'intensité du chauffage entre chaque moyen de chauffage est progressivement modifiée et l'intensité de chauffage entre deux moyens de chauffage successifs est réduite au fur et à mesure que la température de la bande augmente. Avantageusement, on injecte à la bande un flux calorifique plus important lorsque celle-ci est à basse température, puis on diminue progressivement le flux calorifique injecté lorsque la bande monte en température. Le chauffage peut être prévu pour assurer une élévation de température de la bande dans chaque moyen de chauffage de plus en plus faible à partir du premier moyen de chauffage où elle est la plus importante. De préférence, l'évolution du flux échangé entre la bande et les moyens de 10 chauffage est progressive, c'est à dire que la variation de la pente de chauffage est progressive. Le gradient d'élévation de température de la bande dans la première section de chauffage est avantageusement supérieur à 100 Clseconde. 15 L'importance de la diminution du gradient d'élévation de température lorsque l'on passe d'une section de chauffage à la suivante est déterminée en fonction du format de la bande et de la qualité de l'acier. Avantageusement, le gradient d'élévation de température de la bande diminue d'au moins 15 C/seconde lorsque 20 l'on passe d'une section de chauffage à la suivante. Le procédé de l'invention permet de limiter le pic de contrainte correspondant dans le matériau et de réduire les forces de compression perpendiculaires à la direction de défilement de la bande, qui apparaissent en cet endroit entre deux sections 25 consécutives de la bande en provoquant des plis dans cette dernière. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins 30 annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : Fig. 1 est une coupe schématique verticale d'une section de chauffage rapide d'une ligne de traitement thermique de bandes métalliques. Fig. 2 reprend le schéma de Fig. 1 avec, en correspondance, le flux thermique injecté par chaque moyen de chauffage selon l'état de la technique. Fig. 3 est un diagramme illustrant l'apparition des contraintes induites dans une bande métallique par une variation de température. Fig. 4 est un diagramme illustrant plusieurs modes de chauffage, dont un selon l'invention. Fig. 5 reprend le schéma de Fig. 2 avec, en correspondance, le flux thermique injecté par chaque moyen de chauffage selon l'invention. Fig.6 est un diagramme illustrant les contraintes dans une bande métallique chauffée selon le procédé de l'invention. Fig.7 est un diagramme illustrant les contraintes dans une bande métallique chauffée selon un procédé classique de l'état de la technique. Fig.8 est un diagramme illustrant les contraintes dans une bande métallique chauffée selon le procédé de l'invention. Fig. 9 reprend le schéma de Fig. 5, avec le flux thermique injecté par chaque moyen de chauffage selon l'invention. Fig. 10 montre, agrandi, le détail X de Fig.9. Fig. 11 montre, agrandi, le détail XI de Fig.9, et Fig.12 est un diagramme illustrant les variations de contraintes et les variations de température dans une bande métallique chauffée selon le procédé de l'invention. On se reporte à la Figure 4 qui est un diagramme sur lequel est porté en abscisse la longueur de la section de chauffage équipée de quatre inducteurs parcourue par un point de la bande métallique, et en ordonnée la température de la bande en ce point. On peut voir que pour atteindre un même objectif thermique correspondant à une température T en fin de section de chauffage, correspondant à la longueur L, il est possible de suivre différents chemins thermiques : Le chemin A correspond à une même pente d'élévation de température de la bande dans chaque moyen de chauffage, Le chemin B correspond à une pente d'élévation de température de la bande dans chaque moyen de chauffage dégressive à partir du premier moyen de chauffage où elle est la plus importante,30 Le chemin C correspond à une pente d'élévation de température de la bande dans chaque moyen de chauffage qui augmente progressivement à partir du premier moyen de chauffage où elle est la plus faible. . Le chemin D correspond à une combinaison des chemins B et C avec une pente d'élévation de température de la bande plus forte dans le premier et dernier moyen de chauffage et plus faible pour les deux moyens de chauffage centraux. Ces quatre chemins thermiques sont donnés à titre d'exemple sachant qu'une 10 multitude d'autres variantes sont possibles. Selon l'invention, la bande est chauffée dans la section de chauffage en suivant le chemin thermique B de montée en température. Comme représenté en Figure 5, ce chemin thermique est obtenu en injectant un flux calorifique (Da important à la 15 bande au début du chauffage, lorsque celle-ci est à plus basse température, puis en limitant progressivement le flux injecté (Dl), mec, Dd au fur et à mesure que la température de la bande augmente. Les flux calorifiques sont avantageusement choisis de telle sorte que : 20 - le gradient d'élévation de température de la bande dans la première section de chauffage, c'est-à-dire dans le premier moyen de chauffage 5a, est supérieur à 100 C/seconde. - le gradient d'élévation de température de la bande diminue d'au moins 15 C/seconde lorsque l'on passe d'une section de chauffage à la suivante, c'est-à-25 dire d'un moyen de chauffage au suivant. Comme représenté en Figure 6, le chemin thermique selon l'invention permet de limiter la variation de pente de la courbe de température en sortie de chaque élément de chauffage au fur et à mesure que la bande monte en température. Les contraintes de compression perpendiculaires à l'axe de la bande, susceptibles de 30 générer des plis, sont ainsi de plus en plus faibles à chaque sortie successive des zones de chauffage rapide : C2a>C2b>C2c>C2d. Le chauffage assuré par les moyens de chauffage successifs 5a, 5b, 5c, 5d est tel que la courbe moyenne représentant l'élévation de température de la bande en fonction de la longueur de la section de chauffage présente une concavité tournée vers l'axe de coordonnées sur lequel est portée la longueur. Par courbe moyenne on désigne une courbe passant par les milieux des segments rectilignes horizontaux de la courbe réelle d'élévation de température sur la Figure 6. La pente moyenne de l'augmentation de température de la bande entre l'entrée et la sortie d'un moyen de chauffage diminue d'un moyen de chauffage au moyen de chauffage suivant. Comme représenté en Figure 7, le niveau (en valeur absolue) de contrainte critique de formation de plis décroît lorsque la température augmente, selon une courbe K, la contrainte étant portée en ordonnée et la température en abscisse. Une section de chauffage réalisée selon l'état antérieur de la technique, c'est à dire sans appliquer le procédé de chauffage selon l'invention, conduirait par exemple à la courbe de contrainte C3, correspondant au chemin thermique A de la Figure 4. On peut constater sur cette courbe que les contraintes transversales de compression sont supérieures aux points C3b, C3c et C3d aux valeurs de seuils critiques. La bande sera donc recouverte de défauts de surface et non commercialisable. On comprend que les chemins thermiques type C et D ne sont pas adaptés car ils induisent des contraintes importantes supérieures à la contrainte critique dans les zones où la bande est la plus chaude. Comme représenté précédemment en Figure 5, le procédé de chauffage selon l'invention consiste à injecter à la bande un flux calorifique plus important lorsque celle-ci est à basse température, puis à diminuer progressivement ce flux lorsque la bande monte en température. La Figure 8 correspond à la Figure 7, mais avec un chauffage effectué selon le procédé de l'invention. On peut constater sur la courbe de contrainte C2 de cette Figure 8 que les contraintes transversales de compression sont toujours inférieures (en valeur absolue) aux valeurs de seuils critiques suivant la courbe K. La bande sera exempte de plis et donc commercialisable. Pour limiter davantage le risque de formation de plis, l'invention est également caractérisée par un procédé qui consiste à modifier progressivement l'intensité du chauffage dans chaque moyen de chauffage 5 de sorte que le l'évolution du flux échangé avec la bande soit progressif, c'est à dire que l'évolution du taux de variation de la fonction (dTempérature/dtemps) correspondant à une modification de la pente de chauffage soit progressif. Ce procédé permet de limiter le pic de contrainte correspondant dans le matériau et de réduire ou de supprimer les forces de compression perpendiculaires à la direction de défilement de la bande, qui apparaissent en cet endroit entre deux sections consécutives de la bande en provoquant des plis dans cette dernière. Le procédé selon l'invention est illustré plus en détail sur Fig.9. Comme représenté sur cette Fig.9, la variation de flux entre la bande et les moyens de chauffage 5 est progressive selon l'invention depuis l'entrée jusqu'à la sortie de chaque moyen de chauffage alors qu'un chauffage rapide selon l'état de la technique conduirait à la courbe de flux P, représentée en trait fin sur Fig.10 et 11, avec des changements brutaux de la variation de flux. Cette variation progressive du flux selon l'invention est imagée sur la Figure 9 par une courbe de flux arrondie lors des changements de pente entre montée en température, plateau supérieur, puis descente et palier inférieur, alors que ces changements sont à angles vifs sur la courbe P selon l'état de la technique. Cette évolution progressive du flux conduit à une évolution progressive de la température de la bande pour chaque élément de chauffage, c'est à dire à une évolution progressive du taux de variation de la fonction (dTempérature/dTemps) par rapport à l'état de la technique, comme représenté en Figure 12. Ainsi les points de changement brusque de pente Tal et Tbl de la courbe de température Ti selon l'état de la technique, correspondant à une chauffe avec une rapide évolution de l'intensité de chauffage, ont été supprimés sur la courbe T2 correspondant à une chauffe selon l'invention avec une évolution progressive de l'intensité de chauffage. On voit clairement sur cette Figure 12 que l'évolution de la température de bande représentée par la courbe T2 correspondant à une chauffe avec une évolution progressive du flux transmis à la bande conduit à une courbe de contrainte C2 dont l'importance des pics de contraintes de traction Ca2 et de compression Cb2 a été fortement réduite par rapport celle des pics correspondants Cal, Cbl de la courbe de contrainte Cl selon l'état de la technique Ca2 Cal et Cb2 Cbl. Le niveau réduit de contrainte transversale de compression Cb2 obtenu étant ainsi inférieur au seuil critique, la bande sera exempte de plis et donc commercialisable.10 REVENDICATIONS 1 - Procédé de réduction de la formation de plis sur des bandes métalliques (1) soumises à un chauffage rapide dans des lignes continues de traitement thermique dans lesquelles lesdites bandes sont amenées à traverser des sections de chauffage (2) comportant des moyens de chauffage (5 ;5a,5b,5c,5d) successifs et distincts, caractérisé en ce que la pente moyenne de l'augmentation de température de la bande entre l'entrée et la sortie d'un moyen de chauffage diminue d'un moyen de chauffage au moyen de chauffage suivant. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de la différence de température de la bande, entre la sortie et l'entrée d'un moyen de chauffage, à la distance entre la sortie et l'entrée de ce moyen de chauffage diminue d'un moyen de chauffage au moyen de chauffage suivant. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pente instantanée de l'augmentation de température de la bande entre l'entrée et la sortie d'un moyen de chauffage, en fonction de la distance parcourue, est plus forte à l'entrée du moyen de chauffage que vers la sortie de ce moyen de chauffage. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la différence d'intensité de chauffage entre deux moyens de chauffage successifs (5a,5b,5c,5d) est réduite progressivement pour être faible à haute température de sorte que la variation de la vitesse de chauffage en tous points de la bande se réduise au fur et à mesure que la température de la bande augmente. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'intensité du chauffage entre chaque moyen de chauffage est progressivement modifiée et en ce que l'intensité de chauffage entre deux moyens de chauffage successifs est réduite au fur et à mesure que la température de la bande augmente. 5 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu' on injecte à la bande un flux calorifique (ma) plus important lorsque celle-ci est à basse température, puis on diminue progressivement le flux calorifique injecté (1b, (Dc, (Dd) lorsque la bande monte en température. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le chauffage est prévu pour assurer une élévation de température de la bande dans chaque moyen de chauffage de plus en plus faible à partir du premier moyen de chauffage où elle est la plus importante. 10 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'évolution du flux échangé entre la bande et les moyens de chauffage est progressive, c'est à dire que la variation de la pente de chauffage est progressive. 15 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gradient d'élévation de température de la bande dans la première section de chauffage est supérieur à 100 C/seconde. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 20 en ce que le gradient d'élévation de température de la bande diminue d'au moins 15 C/seconde lorsque l'on passe d'une section de chauffage à la suivante.