Brevet FR3101888A1 — publié le 20210416

Procédé de réduction de défauts de planéité d’une bande soumise à un refroidissement par pulvérisation de liquide, ou de mélange de gaz et de liquide, le long d’une zone de refroidissement d’une ligne de traitement thermique en continu, l’intensité de refroidissement est réglée dans le sens de défilement de la bande de sorte à obtenir une position relative entre la température de Leidenfrost et au moins une température de transformation métallurgique telle qu’elle minimise les contraintes internes dans la bande et dispositif pour la mise en œuvre dudit procédé. Figure 7 Refroidissement rapide des tôles d’acier à haute limite élastique Désignation du domaine technique concerné L’invention est relative aux lignes continues de production de bandes métalliques. Elle concerne plus particulièrement les sections de refroidissement rapide des lignes de recuit ou de galvanisation de bandes d’acier dans lesquelles la bande est refroidie à des vitesses de refroidissement supérieures à 100 °C/s, par pulvérisation de liquide ou d’un mélange de liquide et de gaz. L’élaboration des nouveaux aciers à très haute limite élastique, typiquement supérieure à 500 Mpa, requis par les constructeurs automobiles pour développer des structures plus légères et à haute résistance mécanique, conformes aux contraintes environnementales, nécessite des traitements thermiques avec des vitesses de refroidissement supérieures à 100 °C/s pour établir des structures complexes avec une répartition variable de différentes phases métallurgiques parmi les phases austénitique, ferritique, perlitique, bainitique, et martensitique. En particulier, les aciers à très hautes limites élastiques AHSS et UHSS peuvent être produits en contrôlant les vitesses de refroidissement dans les lignes de recuit continu, à partir d’une structure métallurgique totalement austénitique ou mixte ferritique et austénitique. Le traitement thermique à appliquer dans la ligne continue dépend de la composition chimique de l’acier, de son état en entrée de ligne, et des propriétés mécaniques attendues en fin de traitement. Il comprend une étape de chauffage jusqu’à une température en fin de chauffage comprise entre 750 et 950 °C, un temps de maintien à la température atteinte en fin de chauffage et un refroidissement jusqu’à la température ambiante ou une température intermédiaire avec une vitesse de refroidissement spécifique pour chaque grade métallurgique. Par exemple, l’obtention d’un acier donné peut nécessiter une température de recuit supérieure à sa température d’austénitisation, puis un temps de maintien à cette température, suivi d’un refroidissement lent pour une transformation partielle de l’austénite en ferrite et enfin un refroidissement rapide pour une transformation de l’austénite en martensite. Les propriétés mécaniques atteintes en fin de traitement dépendent de la composition chimique de l’acier et du contrôle du procédé thermique pour obtenir une microstructure particulière. La qualité des produits en fin de traitement c’est-à-dire l’uniformité des propriétés mécaniques et la planéité de la bande dépend du type de refroidissement parmi les types de refroidissement habituellement utilisés pour ces procédés de traitement thermique, à savoir le refroidissement par jet de gaz, le refroidissement par pulvérisation de liquide ou de mélange gaz et liquide et le refroidissement par trempe. Le refroidissement peut être suivi éventuellement d’une étape de revenu ou vieillissement. Problèmes techniques auxquels répond l’invention L’étape de refroidissement rapide peut être à l’origine de défauts de planéité de la bande de type et d’amplitude variables en fonction du procédé de refroidissement appliqué. Les défauts de planéité courants rencontrés lors du traitement thermique des bandes métalliques sont du type d’ondulations dans le sens de défilement pour les refroidissements modérés par jets de gaz sur bandes fines c’est-à-dire pour des vitesses de refroidissement inférieures à 100 °C/s. Les défauts sont de type bords longs ou centre long pour des refroidissements rapides par jets de gaz ou par pulvérisation de liquide ou par pulvérisation d’un mélange de gaz et de liquide, c’est-à-dire pour des vitesses de refroidissement de l’ordre de 100 à 500 °C/s. Les défauts sont de type cloques dispersées pour des vitesses de refroidissement très rapides par pulvérisation de liquide ou de mélange de gaz et liquide ou refroidissement par trempe, c’est-à-dire pour des vitesses de refroidissement supérieures à 500 °C/s. Les défauts de planéité observés résultent du développement de contraintes internes dans la bande développées pendant le refroidissement. Les contraintes à l’origine des défauts de planéité dépendent : de la géométrie du produit c’est-à-dire de la largeur, de l’épaisseur et du défaut de planéité initiale, de la distribution de température dans le produit, dans le sens de défilement, dans la largeur du produit et éventuellement dans l’épaisseur du produit pour les bandes épaisses, des transformations de phases métallurgiques, des variations des propriétés thermophysiques du produit en fonction de la variation de la température pendant le traitement thermique. La répartition et l’amplitude des contraintes qui conditionnent le type et l’amplitude des défauts observés dépendent du grade de l’acier et de la répartition des phases métallurgiques lors de l’étape de refroidissement rapide du procédé de traitement thermique. Par exemple, pour une catégorie d’acier connue par l’homme du métier sous le nom de Dual Phase , provenant de l’anglais, de structure mixte austénitique et ferritique, avec une proportion variable d’austénite avant l’étape de refroidissement rapide, le risque de défaut de planéité qui résulte de l’hétérogénéité thermique et de l’hétérogénéité de transformation de la phase austénitique vers la phase martensitique augmente avec la proportion d’austénite disponible en début de refroidissement rapide. Arrière-plan technique Selon l’état de la technique, différentes technologies peuvent être utilisées pour refroidir rapidement les bandes d’acier dans une ligne continue. Le refroidissement par jet de gaz avec une teneur variable en Hydrogène, permet d’obtenir des pentes de refroidissement jusqu’ 200 °C/s. Le refroidissement au contact d’un liquide permet d’obtenir des pentes supérieures à 200 °C/s selon 3 types de technologies : le refroidissement par pulvérisation d’un mélange de gaz et de liquide au moyen de buses bi-fluides, le refroidissement par pulvérisation d’un liquide au moyen de buses mono-fluide, la trempe par immersion dans un liquide, éventuellement combinée avec une pulvérisation de liquide. Selon l’état de la technique, plusieurs méthodes peuvent être appliquées pour réduire les défauts de planéité qui résultent des contraintes induites par les ruptures de pentes thermiques observées dans le sens de défilement du produit, quelle que soit la technologie de refroidissement par jet de gaz, par pulvérisation de liquide, ou par pulvérisation d’un mélange de gaz et de liquide. Les ruptures de pentes dans le sens de défilement du produit, quel que soit le fluide utilisé, ont de multiples origines : l’augmentation de la pente de refroidissement à l’entrée dans la section de refroidissement rapide, la discontinuité du refroidissement entre 2 zones successives de refroidissement, le contact avec des rouleaux d’entrainement ou de stabilisation. Pour le refroidissement par pulvérisation de liquide ou de mélange liquide et gaz, le phénomène de Leidenfrost qui consiste en une augmentation brutale du coefficient d’échange par convection lors de la transition entre le régime de refroidissement en phase vapeur et le régime de refroidissement en phase liquide, crée également une discontinuité de refroidissement dans le sens de défilement du produit. Pendant l’étape de refroidissement rapide du procédé de traitement thermique, la bande subit donc une succession de contraintes internes de traction ou de compression qui peuvent être à l’origine de l’apparition d’un phénomène de déformation irréversible des produits si les contraintes sont suffisamment élevées. Le type de déformation qui résulte de cette discontinuité est de type ondulations dans le sens de défilement du produit. EP1108795 de la déposante décrit un procédé de réduction du risque de défaut de planéité dans les sections de refroidissement par jet de gaz par une modulation du refroidissement entre les caissons de refroidissement successifs afin de réduire les ruptures de pentes. Cette méthode s’applique au refroidissement par jet de gaz considéré parfaitement homogène dans la largeur du produit et aux grades sans transformation de phase métallurgique dans la plage de température concernée par le procédé de refroidissement, par exemple des aciers conventionnels à structure totalement ferritique. Selon l’état de la technique, plusieurs méthodes peuvent être appliquées pour réduire les défauts de planéité qui résultent d’une différence de température observée dans le sens de la largeur du produit, par exemple les bords du produit plus froids que le centre, ou le centre du produit plus froid que les bords. Les différences d’efficacité thermique dans la largeur du produit, quel que soit le fluide utilisé, ont de multiples origines : l’écoulement différentiel du fluide entre centre et bords, le défaut de planéité initiale, le déséquilibre de la distribution de gaz ou de fluide, la vibration de la bande. FR2940978 de la déposante décrit un procédé de contrôle de l’homogénéité du refroidissement par projection d’un liquide ou d’un mélange de gaz et liquide suivant la largeur et/ou la longueur d’une bande métallique, par la détermination de la zone de disparition du film vapeur et l’adaptation des paramètres de refroidissement tels que la température du liquide, la vitesse, le débit ou la taille des gouttes et le débit de gaz pour un refroidissement par projection d’un mélange de gaz et de liquide afin de maintenir la phase vapeur en tout point. Ce brevet ne prend pas en compte les transformations métallurgiques lors du refroidissement et l’impact de celles-ci sur la planéité de bande. Ainsi, rien n’est dit sur les modifications de la structure métallurgique (la nature et les proportions des phases) qui résultent des changements apportés sur les paramètres de refroidissement. Ce procédé qui maintient le refroidissement par pulvérisation dans la phase de film vapeur peu efficace en termes d’échange thermique ne permet pas d’atteindre les pentes de refroidissement requises pour la production des aciers à très haute limite élastique. Les solutions selon l’état de la technique proposent une amélioration de la planéité des produits par une diminution des contraintes internes qui résultent d’une distribution de température discontinue dans le sens de défilement et non uniforme dans la largeur des produits. Ces solutions ne sont pas suffisantes pour le traitement thermique des aciers à très haute limite élastique, en particulier les aciers à changement de phases métallurgiques pendant le procédé de refroidissement rapide tels que les aciers Dual Phase, les aciers TRIP, ou les aciers martensitiques. Ces aciers nécessitent un refroidissement rapide avec des pentes supérieures à 200 °C/s par pulvérisation de liquide ou de mélange liquide et gaz depuis une température de 780 à 850 °C en fin de maintien après chauffage ou une température de l’ordre de 650 à 750 °C après une première étape de refroidissement lent, jusqu’à une température en fin de refroidissement de l’ordre de 400 à 50 °C selon les grades. La particularité du refroidissement par pulvérisation de liquide repose sur l’observation de trois régimes de refroidissement successifs : Pour des températures élevées de la surface refroidie, typiquement supérieures à environ 600 °C, nous avons un refroidissement en film de vapeur. Une couche de vapeur isole totalement la bande du contact avec le liquide ce qui conduit à un coefficient d’échange thermique stable et faible. Pour des températures intermédiaires définissent un domaine de transition, typiquement entre environ 600 °C et 200 °C, le régime de refroidissement est instable et une forte variation du coefficient d’échange thermique est observée. Pour les températures plus faibles, c’est-à-dire typiquement entre environ 200 °C et 100 °C, nous avons un refroidissement en régime d’ébullition nuclée, avec une décroissance rapide du coefficient d’échange thermique lorsque la température de la surface diminue. Pour les températures faibles, typiquement inférieures à 100 °C, le régime de refroidissement est un régime de convection. La température de Leidenfrost, représentée par le point L sur le graphe de la figure 2 annexée, est la température qui sépare le domaine stable de refroidissement en film de vapeur du domaine de transition instable. La température représentée par la lettre N sur le graphe délimite le domaine de transition et le domaine de refroidissement en régime d’ébullition nuclée. L’instabilité thermique locale dans la zone de transition entre le refroidissement en phase vapeur et le refroidissement en phase liquide, habituellement observée entre 200 et 600 °C peut être à l’origine de défauts de planéité en réponse à une hétérogénéité thermique locale et une désynchronisation des transformations de phases dans les différentes parties de la bande. Aux contraintes de dilatation différentielle qui résultent des gradients thermiques dans le sens de défilement du produit et dans la largeur du produit, se superposent alors des contraintes de transformation de phases métallurgiques qui résultent de la discontinuité des propriétés physiques des produits. En particulier les ruptures de pentes visibles sur la courbe d’évolution du coefficient de dilatation liées à la variation de volume des phases métallurgiques dans la plage de température concernée par le procédé de refroidissement rapide génèrent des contraintes à l’origine des défauts de planéité observées pour les aciers à très haute limite élastique, de structure métallurgique complexe. Les procédés de réduction des contraintes d’origine thermique qui résultent de l’hétérogénéité de distribution de température dans le sens de défilement et dans le sens de la largeur du produit ne suffisent pas à garantir la planéité requise pour l’utilisation des produits traités en particulier pour la construction automobile. La désynchronisation des transformations de phase métallurgique associée à des variations de température de faible amplitude induit des contraintes internes suffisamment élevées pour observer des déformations irréversibles locales. Brève description des figures 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 annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : est une vue schématique en coupe longitudinale de la bande dans la section de refroidissement selon un exemple de réalisation de l’invention. est un graphe d’évolution du flux thermique en fonction de la température de surface, représentatif du procédé de refroidissement par pulvérisation de liquide. est un graphe d’évolution du coefficient de dilatation thermique en fonction de la température, selon un premier exemple de réalisation. est un graphe d’évolution de la température de la bande dans le sens de défilement, pour une distribution uniforme de pression dans les buses de pulvérisation. est un graphe d’évolution du coefficient d’échange thermique correspondant aux profils thermiques de la figure 3. est un graphe d’évolution de la contrainte longitudinale au bord de la bande, pour le profil thermique correspondant au profil thermique de la figure 3 est un graphe d’évolution de la température de la bande dans le sens de défilement, pour une distribution uniforme de pression dans les buses de pulvérisation et une distribution optimisée de la pression dans les buses de pulvérisation selon un premier exemple de réalisation est un graphe d’évolution du coefficient d’échange thermique en fonction de la température de la bande correspondant aux profils thermiques de la figure 6. est un graphe d’évolution de la contrainte longitudinale au bord de la bande, pour le profil thermique longitudinal correspondant aux profils thermiques de la figure 6. est un graphe d’évolution du coefficient de dilatation thermique en fonction de la température, selon un deuxième exemple de réalisation. est un graphe d’évolution de la température de la bande dans le sens de défilement, pour une distribution uniforme de pression dans les buses de pulvérisation et une distribution optimisée de la pression dans les buses de pulvérisation, selon un deuxième exemple de réalisation. est un graphe d’évolution du coefficient d’échange thermique en fonction de la température de la bande correspondant aux profils thermiques de la figure 9. est un graphe d’évolution de la contrainte longitudinale au bord de la bande, pour le profil thermique longitudinal correspondant aux profils thermiques de la figure 9. Procédé de réduction de défauts de planéité d’une bande soumise à un refroidissement par pulvérisation de liquide, ou de mélange de gaz et de liquide, le long d’une zone de refroidissement d’une ligne de traitement thermique en continu, ladite zone de refroidissement présentant des moyens de réglage de l’intensité de refroidissement le long de la zone de refroidissement, caractérisé en ce qu’il comporte une détermination d’un profil thermique à appliquer à la bande par la zone de refroidissement dans le sens du refroidissement, ledit profil thermique présentant une température critique de bande, appelée température de Leidenfrost, atteinte concomitamment à une première température de transformation métallurgique, ou après le début d’une première et avant le début d’une deuxième températures de transformation métallurgique, et une étape d’application dudit profil thermique déterminé par les moyens de réglages de la zone de refroidissement. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’intensité de refroidissement est réglée le long de la zone de refroidissement selon la vitesse minimale de refroidissement pour obtenir une transformation métallurgique choisie. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’intensité de refroidissement est réglée le long de la zone de refroidissement de sorte qu’une transformation métallurgique débute à une température choisie. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’intensité de refroidissement est réglée le long de la zone de refroidissement de sorte que la température de Leidenfrost soit égale à une valeur prédéterminée. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’intensité de refroidissement est réglée le long de la zone de refroidissement de sorte que la température de Leidenfrost soit égale à une température de début de transformation métallurgique. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la transformation métallurgique est de l’austénite en martensite, et l’intensité de refroidissement est réglée de sorte que la température de Leidenfrost soit dans une plage de température à plus ou moins 50 °C de la température de début de transformation martensitique. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’intensité de refroidissement est réglée le long de la zone de refroidissement de sorte que la température de Leidenfrost soit à une température intermédiaire entre une température de début d’une première transformation métallurgique et une température de début d’une dernière transformation métallurgique. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’intensité de refroidissement est réglée par un ajustement de la longueur de refroidissement et/ou un ajustement du débit et de la pression du liquide, ou du mélange de gaz et de liquide, de refroidissement le long de la zone de refroidissement. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le liquide, ou le mélange de gaz et de liquide, est non oxydant pour la bande. Zone de refroidissement d’une ligne continue de traitement de bandes métalliques, agencée pour refroidir la bande (1) par pulvérisation sur celle-ci de liquide, ou d’un mélange d’un gaz et de liquide, au moyen de buses disposées de part et d’autre de la bande par rapport à son plan de défilement, ladite zone de refroidissement présentant des moyens de réglage de l’intensité de refroidissement adaptés pour exécuter les étapes du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes. Zone de refroidissement selon la revendication précédente, comprenant au moins deux rangées de buses disposées transversalement au plan de défilement de la bande, la seconde rangée (3) de buses dans le sens de défilement (F) de la bande ayant un débit de pulvérisation supérieur ou égal à la première. Zone de refroidissement selon l’une des deux revendications précédentes, dans lequel les moyens de réglages comportent des moyens d’ajustement du débit et de la pression d’alimentation des buses dans la longueur et la largeur du produit. Ligne de traitement thermique en continu, comportant une zone de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 10 à 12. Ligne selon la revendication précédente, comprenant en outre des moyens de calculs de températures de transformations métallurgiques de la bande en fonctions de sa composition chimique et de cycles thermiques appliqués. Ligne selon la revendication 13 ou 14, comprenant en outre une base de données expérimentales pour la détermination de la température de Leidenfrost associée à chaque cas de production. Ligne selon l’une quelconque des revendications 13 à 15, comprenant en outre des moyens de calcul du profil thermique de la bande le long de la zone de refroidissement pour déterminer la distribution de refroidissement optimale le long de celle-ci. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions qui conduisent une zone de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 10 à 12 à exécuter les étapes du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9. Support lisible par ordinateur, sur lequel est enregistré le produit programme d’ordinateur selon la revendication précédente.