PROCESS FOR COOLING METALLURGICAL WORKPIECES WITH MINIMIZED DEFORMATION

Abstract: 1. Method of cooling basically long or flat metallurgical products (1) having a substantially constant thickness with a view to minimizing the geometric distortions without altering the use properties, characterised in that substantially half the lateral surface is covered by a layer (2) which is insulating or a poorer conductor of heat than the product to be cooled (1) before the covered surface (2) of the product is brought into contact with an aqueous cooling medium (4).

Description: PROCEDE DE REFROIDISSEMENT MINIMISANT LES DEFORMATIONS DES PRODUITS METALLURGIQUES Cette invention est relative à un procédé de refroidissement économique de produits métallurgiques qui minimise les déformations de ceux-ci, tout en préservant leurs propriétés d'emploi. Le refroidissement des produits métallurgiques intervient dans un grand nombre d'opérations telles que la coulee et solidification, après la transformation à chaud sur divers outils (laminoirs, presses à filer, etc...) ou encore dans le cas de la trempe metallurgique. Pour des raisons de productivité (en particulier pour le refroidissement des produits en continu au défilé), et/ou de qualite métal- lurgique (solidification, trempe), il est souvent nécessaire que ces refroidissements soient effectués avec des vitesses élevées, par exemple par pulvérisation d'eau sous forte pression ou pulvérisation biphasique (air-eau). On sait que la densite de chaleur extraite des produits peut atteindre 1 à 5 MW/m2 pour des debits d'eau de l'ordre de 20 kg/m2 sec.,soit 1 200 1/m2 minute. Cependant, ces procédés présentent les inconvénients suivants a) la pulvérisation d'eau à fort débit ( > 2 000 1/m2 min.) et sous forte pression (p > 1,5 MPa ou 15 bar) entraîne des consomma tions d'eau importantes et necessite des équipements onéreux (surpresseur de très forte capacite. De pls, elle n'est pas adaptee au refroidissement des produits minces, notamment à celui des tôles ou bandes minces en alliages légers car la force d'impact du jet entraîne des déformations importantes de ces produits ; b) dans la pulvérisation pneumatique d'eau et d'air sous pression, ces deux fluides sont introduits simultanément dans les buses à pulvérisation pneumatique à faible débit d'eau, ou séparément par soufflage d'air comprimé en sortie de buse de pulverisation meca nique d'eau, à débit élevé. La pulvérisation pneumatique présente l'inconvénient d'être oné reuse en raison du prix des buses (dix fois plus élevé que celui des buses mécaniques) et du coût elevé d'investissement et de fonctionnement des compresseurs d'air. De plus, ce système est dangereux à cause des risques d'éclatement des conduites d'air comprimé et est excessivement bruyant. De plus, avec des vitesses de refroidissement élevées, les produits sont le siège d'un niveau de contraintes internes élevées s'ils sont epais, ou de déformations très importantes s'ils sont minces, ces deux effets étant néfastes - Les deformations ou distorsions des produits refroidis imposent souvent leur redressage ou leur remise en forme à l'aide de moyens puissants tels que presses, planeuses à rouleaux, bancs de trac tion, etc... opérations qui, à leur tour, induisent dans ceux-ci des contraintes internes néfastes, par exemple :distorsions lors d'un usinage chimique ou mécanique ultérieur. - L'utilisation de dispositifs spéciaux limitant ou supprimant les distorsions lors du refroidissement, par exemple, lors de la trem pe, tels que cadres, brides, trempe sous presse, etc... est d'une certaine efficacite, mais cependant limite car, de toute façon, et malgré toutes les précautions prises, le niveau de contraintes internes reste élevé. La méthode selon l'invention, qui elimine, ou du moins, minimise ces distorsions, consiste à refroidir le produit métallurgique avec un mode de refroidissement different entre approximativement deux moitiés adjacentes de sa surface extérieure, chacune d'elles s'étendant selon le sens long ou le plan principal du produit, quand il(s) existe(nt). Ainsi, pour une barre rectangulaire, on applique un refroidissement différent entre les deux faces latérales adjacentes du produit et les deux faces opposées. Pour un tube ou une barre cylindrique, on applique un refroidissement different entre ses deux faces opposées. Bien sûr , la méthode est généralisable aux autres produits métal- lurgiques matricés, filés, forgés ou moulés pourvu qu'ils ne soient pas auto-bridés par leur forme et/ou leurs dimensions lors du refroidissement. Le refroidissement différencié est assure par les moyens suivants - dans le cas d'un refroidissement par immersion dans un milieu re froidisseur, par enduction de la moitié environ de la surface ex terne par un revêtement constitue d'un produit isolant ou nette ment moins conducteur de la chaleur que l'alliage à refroidir (exemples : placage acier/alliage d'Al, poteyage isolant et re fractaire) avant immersion - dans le cas du refroidissement par aspersion ou pulvérisation, par la différence de l'état de surface entre deux moitiés considérées, l'une d'elle étant revêtue, avant arrosage du produit, d'un enduit peu ou pas conducteur de la chaleur. En particulier, il a été constaté, de façon surprenante, que le refroidissement unilatéral par aspersion ou pulvérisation classique de la moitié de la surface du produit, celle-ci étant préalablement enduite d'un revêtement isolant ou mauvais conducteur de la chaleur, conduisait à des vitesses de refroidissement plus élevées des produits minces que celles des produits non revêtus et ce, sans distorsion notable. Le fluide de refroidissement généralement utilise est essentiellement constitué d'eau, eventuellement additionnée de certains adjuvants (anticorrosion, antimoussant, etc...). Le revêtement peut être effectué à un stade quelconque de la gamme de fabrication, antérieur au refroidissement pourvu que celui-ci reste adhèrent et conserve son efficacite au cours de la gamme (par exemple, le produit peut être revêtu avant le chauffage de mise en solution qui précède la trempe). Il est préférable, dans tous les cas, que l'arrosage se fasse par la partie inférieure des produits, le sens long de ceux-ci étant sensiblement horizontal. Comme indiqué, le procédé s'applique principalement, mais non exclusivement aux produits métalliques longs (fils, barres, tubes, profilés) ou plats (bandes, tôles, méplats) de relativement faibles dimensions transversales et d'épaisseurs sensiblement constantes. Pour l'Al et les alliages d'aluminium, l'épaisseur des produits plats est, de preference, inferieure ou égale à 15 mm (ce qui correspond sensiblement à un diamètre de 30 mm pour une barre ronde pleine). Pour le cuivre et les alliages de cuivre, l'épaisseur est, de préférence, inférieure ou égale à 35 mm (ou à un diamètre de 70 mm environ). Pour les aciers ou les alliages ferreux, l'épaisseur est, de préfé- rence, inferieure ou égale à 8 mm (ou à un diamètre de 15 mm environ). On considérera que -deux produits ont des sections transversales équivalentes si le rapport surface latérale extériure/volume est le même. La méthode s'applique particulièrement bien à la trempe des alliages d'Al a haute résistance pour lesquels les caractéristiques d'emploi (resistance mécanique et/ou à la corrosion) ne sont pratiquement pas modifiées par rapport à la trempe classique avec, cependant, des déformations tres faibles. Lorsque le refrodisse:ent est assure par pulvérisation ou aspersion à l'aide de buses, il est important que les zones d'impact des jets couvrent l'ensemble de la surface refroidie du produit, soit directement, soit indirectement par ruissellement, rebonds, etc... Les défits surfaciques d'eau restent inferieurs à 2 000 1m-2 min. et, de préférence, 800 1m-2 min. 1 les buses sont placées à une distance inférieure à 15 cn de la surface de produit, et la pression d'injection est inférieure à 1,5 MPa (15 bars) et, de préférence, 1 MPa (10 bars). Le procédé suivant l'invention offre, par rapport aux méthodes de refroidissement classiques, les avantages suivants Produits minces (vois dimensions ci-dessus) absence de distorsions notables ou meilleure planéité (ou recti tide) et contraintes résiduelles faibles après refroidissement même rapide, elimination ou simplification des opérations de planage, dress-age ou remise en forme ultérieure (par exemple traction ou compression contrôlées des alliages d'Al avant revenu ou maturation). - Pour les produits de dimensions quelconques conservation des propriétés optimales (résistance manique, te nue à la corrosion) à l'état d'utilisation ; diminution des consommations ou volumes de fluide de refroidisse- ment mises en jeu meilleure fiabilite ou répétabilité des operations de refroidis sement ; possibilité de contrôle et de modulation des vitesses de refroi dissement des produits. L'invention sera mieux comprise à l'aide des dessins et exemples suivants La figure 1 représente une vue en bout de produits (1) (a) barre ronde (d) cornière (côte intérieur) (b) tôle (e) profilé en T (c) tube cylindrique (f) profilé quelconque munis d'un revêtement isolant (2), sur environ la moitié de leur surface extérieure et refroidissoit à l'aide de buses de pulverisation (3), soit par immersion dans un milieu refroidisseur (4) contenu dans le bac (5). La figure 2 represente les caracteristiques de déformation après refroidissement : flèche (f) et tuile (t) d'un produit plat rectangulaire, initialement plan. EXEMPLE 1 Trois tôles de dimension 400 x 400 x 10 mm en alliages d'aluminium (7075) ont été trempées par immersion verticale dans l'eau froide (20 C) ou chaude (60 C) après mise en solution de 4 h à 470 C en four à air ventile. Les tôles A et B, non revêtues,ont été trempées dans des bacs d'eau à des températures respectivement égales à 200C et 600C. La tôle (C) a été trempee par immersion dans l'eau a 600C après décapage des surfaces et revêtement d'une seule grande surface au moyen d'une couche continue isolante de faible effisivité thermi que, constituee essentiellement d'un mélange de silicate de sodium en solution dans l'eau, de sulfate de baryum et d'oxyde de titane. Le tableau I ci-dessous donne les vitesses de trempe mesurées entre 400 et 2500C à 1,5 mm sous chaque surface au moyen de thermocouples placés au centre des grandes faces des tôles ainsi que les déformations macroscopiques mesurées après trempe (flèche maximum le long de l'axe horizontal - tuile maximum le long de l'axe vertical des tôles) et les caractéristiques mécaniques de traction longitudinales à mi-epaisseur au centre desçtôles, mesurées après revenu à l'état T6 (24 h a 1200C). On constate, en particulier, que la tôle (C) trempée selon l'invention par refroidissement dissymetrique, est dotée à la fois des caractéristiques mécaniques de traction equiva- lentes à celles des tôles trempées le plus rapidement de façon symétrique dans l'eau froide (pratique actuelle) et de déformation de trempe nettement plus faibles que les autres tôles y compris la tôle (B) trempée symetriquement avec des vitesses de refroidissement pourtant relativement lentes. TABLEAU I EMI7.1 <tb> Repere <SEP> Tempéra- <SEP> Etat <SEP> des <SEP> Vit <SEP> de <SEP> Déformations <SEP> Caractéristiques <tb> tôle <SEP> ture <SEP> eau <SEP> surfaces <SEP> trempe <SEP> de <SEP> trempe <SEP> de <SEP> traction <tb> <SEP> ( C) <SEP> sous <SEP> les <SEP> etat <SEP> T6 <tb> <SEP> surfa- <SEP> Flèche <SEP> Tuile <tb> <SEP> ces <SEP> f(mm) <SEP> t(mm) <SEP> Rp0,2 <SEP> Rm <SEP> A <tb> <SEP> ( C/sec) <SEP> (MPa) <SEP> (MPa) <SEP> % <tb> <SEP> A <SEP> 20 <SEP> 2 <SEP> faces <SEP> 165 <tb> <SEP> nues <SEP> 185 <tb> <SEP> B <SEP> 60 <SEP> 2 <SEP> faces <SEP> 86 <tb> <SEP> nues <SEP> 93 <SEP> <SEP> +10,0 <SEP> -3,5 <SEP> 515 <SEP> 580 <SEP> 8,9 <SEP> <tb> <SEP> C <SEP> 60 <SEP> 1 <SEP> face <SEP> dé <SEP> 89 <SEP> <tb> <SEP> capée <SEP> + <SEP> 1,2 <SEP> -1,2 <SEP> 547 <SEP> 612 <SEP> 8,3 <tb> <SEP> 1 <SEP> face <SEP> re <SEP> 173 <tb> <SEP> vetue <SEP> I <SEP> <tb> EXEMPLE 2 Des tôles minces de dimension 630 x 350 x 2 mm (épaisseur totale) en alliages 7475 plaquées de 70 m d'alliage 7072 sur chaque face, ont été trempees après mise en solution de 30 minutes à 4750C, soit par immersion verticale dans un bac d'eau à 18 C selon la pratique habituelle, soit par pulvérisation d'eau à 18 C sur la seule surface inférieure horizontale statique d'une tôle revêtue sur sa seule surface intérieure d'une couche constituée du même revêtement à base de silicate de sodium que dans l'exemple n 1. La pulvérisation était assurée sur toute la surface inférieure ho rizontale des tôles par des buses à jets adjacents à cône plein, d'angle environ 60 , délivrant un débit surfacique de 145 l/mn.m2 sous une pression de 3 bars (0,3 MPa). Le tableau II ci-d?ssous donne les déformations des tôles après trempe, la conductivité électrique superficielle des tôles cinq jours après trempe (qui est d'autant plus basse a l'état trempé-mûri que la trempe est plus rapide), la vitesse de refroidissement moyenne des tôles dans l'intervalle critique de trempe (400 - 25O0C) et les caractéristiques mécaniques sur éprouvettes de traction traités par revenu à l'état - T76 (6 h à 107 C + 16 h à 1600C) après décapage du revêtement et traction contrôlée des tôles avant revenu TABLEAU II EMI8.1 <tb> <SEP> Mode <SEP> de <SEP> Revête- <SEP> Vit. <SEP> de <SEP> re- <SEP> Deform. <SEP> Conduc- <SEP> Caractéristiques <SEP> mé <tb> <SEP> trempe <SEP> ment <SEP> froidis- <SEP> f <SEP> t <SEP> t <SEP> Itivité <SEP> caniques <SEP> de <SEP> trac <tb> <SEP> sement <SEP> (mm) <SEP> (mm) <SEP> 5] <SEP> élect. <SEP> tion <SEP> Etat <SEP> T76 <tb> <SEP> # <SEP> <SEP> (%IACS) <SEP> Rp0,2 <SEP> Rm <SEP> A <tb> <SEP> (MPa) <SEP> (MPa) <SEP> (%) <tb> Immersion <SEP> non <SEP> 3500C/s <SEP> 31 <SEP> 4 <SEP> 29,6 <SEP> 428 <SEP> 492 <SEP> 15,4 <tb> <SEP> (tôles <tb> <SEP> nues) <tb> Pulveri- <SEP> Facesup. <tb> sation <SEP> non <SEP> re <tb> unilate- <SEP> vêtue <tb> rale <SEP> sur <SEP> Face <SEP> inf. <SEP> 2300C/s <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP> 29,6 <SEP> 432 <SEP> 495 <SEP> 15,7 <tb> face <SEP> in- <SEP> revêtue <tb> férieure <tb> On constate que les tôles trempées suivant l'invention présentent des déformations résiduelles notablement plus faibles que celles obtenues par trempe symétrique, tout en conservant des propriétés mécaniques sensiblement égales et bien que les débits surfaciques utilisés ici soient relativement faibles. EXEMPLE 3 Nous avons trempe, par pulvérisation horizontale au défilé ou en statique, des tôles de dimension 650 x 350 x 4 mm en alliage 2024 après mise en solution de 30 minutes à 195 C en four à air ventilé. L'installation de trempe comportait une fenêtre de trempe longue de 700 mm, constituée de rampes de pulvérisation situées de part et d'autre d'un chariot destiné à supporter et translater les tôles avec une vitesse de passage modulable, de façon à simuler la trempe horizontale au défilé en sortie de four à passage. Les buses depul- vérisation étaient constituées de pulvérisateurs en jets à cône plein, d'angle 60 , alimentés par un débit d'eau a 15 C pressuri6,5 bars. Une tole a été trempée par pulvérisation symétrique sur les deux faces non revêtues, selon la pratique habituelle. Les autres tôles ont été trempees par pulvérisation unilatérale horizontale sur la face inférieure avec le même débit surfacique avec poteyage de la surface à arroser par un revêtement isolant à base de silicate de sodium. Le tableau III ci-dessous donne les conditions d'essai, les vitesses de refroidissement moyennes mesurees entre 400 et 2500C par thermocouples au centre des tôles, les déformations des toles après trempe (flèche longitudinale - tuile transversale) ainsi que la sensibilité à la corrosion intergranulaire des tôles trempées et débarrassées du revêtement évaluée d'après le test d'immersion en solution de chlorure de sodium et d'eau distillee selon la norme AIR 9048. TABLEAU III EMI9.1 <tb> Trempe <SEP> Revêt. <SEP> Vit. <SEP> de <SEP> Débit <SEP> sur- <SEP> Vit.re- <SEP> Déforma- <SEP> Sensibilité <tb> <SEP> passage <SEP> facique <SEP> froidis- <SEP> tions <SEP> à <SEP> la <SEP> corro <tb> <SEP> (cm/s) <SEP> d'eau(1/mm/ <SEP> sement <SEP> (mm) <SEP> sion <SEP> inter <tb> <SEP> mê) <SEP> ( C/sec) <SEP> granulaire <tb> <SEP> Face <SEP> Face <tb> <SEP> sup. <SEP> inf. <tb> <SEP> Symétr. <SEP> f <SEP> + <SEP> 5 <tb> sans <SEP> re- <SEP> Non <SEP> 15 <SEP> 250 <SEP> 250 <SEP> 95 <SEP> Forte <tb> vêtement <SEP> t <SEP> + <SEP> 2 <tb> Unilaté- <SEP> Face <tb> rale <SEP> s/ <SEP> infé- <SEP> 50 <SEP> 0 <SEP> 250 <SEP> 220 <SEP> f <SEP> + <SEP> 5 <SEP> Faible <SEP> à <tb> face <SEP> in- <SEP> rieu- <SEP> t <SEP> + <SEP> 2 <SEP> modérée <tb> férieure <SEP> re <tb> On consatante que la trempe dissymétrique au défilé de la tôle revêtue selon l'invention améliore à la fois les vitesses de trempe (x 2 environ) et la résistance a la corrosion intergranulaire de l'alliage ainsi que la planéité des tôles tout en augmentant la productivité de l'installation (x 3) et en diminuant les consommations d'eau nécessaires (: 2 environ) par rapport à la trempe symétrique des tôles nues. EXEMPLE 4 Nous avons trempe par pulvérisation mecanique au défilé à 25 cm/s, après mise en solution de 1 h à 500"C, des cornières de section 50 x 50 x 5 mm et de longueur 600 mm en alliage d'aluminium 6061. Deux cornières ont eté trempées à l'eau à 18"C, soit par pulverisation symétrique (sur les deux faces) ou unilatérale (sur leur face inférieure) au moyen de rampes de pulvérisation longitudinales à buses distantes de 100 mm du sommet des cornières, de façon à refroidir directement l'ensemble de la cornière par les deux faces ou par la face inférieure seule, revêtue préalablement d'une couche uniforme de silicate de sodium (Na20 : 3,3 SiO2) en solution dans l'eau à densite 1,08 (voir figure nid). Les buses donnaient des jets à cône plein, d'angle 600, avec un débit surfacique de 580 1/mn/m2 sous une pression d'eau de 6 bars (0,6 MPa). Le tableau IV ci-aprês donne les conditions d'essais ainsi que les vitesses de refroidissement et les déformations longitudinales moyennes (flèches) apres trempe. Les résultats montrent que la cor nière trempée par pulvérisation unilaterale sur la surface revêtue selon l'invention, présente un meilleur compromis vitesse de refroidissement-rectitude que les cornières refroidies par refroidissement symétrique classique par pulvérisation au défilé ou par immersion. Le revêtement et la trempe unilatérale permettent d'auqmenter notablement la productivité (x 3) avec des déformations de trempe acceptables. TABLEAU IV EMI11.1 Mode <SEP> de <SEP> trempe <SEP> Revêtement <SEP> Défilement <SEP> Pression <SEP> Débit <SEP> surfacique <SEP> Vitesse <SEP> de <SEP> re- <SEP> Flèche <SEP> longitu <SEP> (cm/sec) <SEP> (MPa) <SEP> d'eau(1/mm/m2) <SEP> froidissement <SEP> dinale <SEP> (mm) <tb> <SEP> Face <SEP> sup. <SEP> Face <SEP> inf. <SEP> (400-250) <tb> <SEP> ( C/sec.) <tb> Pulvérisation <tb> symétrique <tb> eau <SEP> 18 C <SEP> sans <SEP> Non <SEP> 20 <SEP> 0,6 <SEP> 580 <SEP> 580 <SEP> 160 <SEP> 5,1 <tb> revétement <tb> Pulvérisation <tb> unilatérale <tb> sur <SEP> la <SEP> face <SEP> Oui <SEP> 30 <SEP> 0,6 <SEP> 0 <SEP> 580 <SEP> 227 <SEP> 0,6 <tb> inférieure <tb> eau <SEP> 18 C <tb> Immersion <SEP> Non <SEP> sans <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 232 <SEP> 2,5 <tb> eau <SEP> 18 C <tb>

Claims: REVENDICATIONS 1. - Méthode de refroidissement de produits métallurgiques (1) essentiellement longs ou plats et d'épaisseur sensiblement constante en vue de minimiser les distorsions géométriques sans altération des propriétés d'emploi, caractérisée en ce qu'on revêt sensiblement la moitié de la surface latérale par un revêtement (2) isolant ou plus mauvais conducteur de la chaleur que le produit à refroidir (1) avant mise en contact du produit revêtu (1, 2) avec un milieu de refroidissement approprié (4). 2. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le refroidissement se fait par immersion dans un fluide (ou mélange de fluides) ou une suspension appropriée. 3. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le refroidissement du produit revetu se fait par aspersion ou pulverisa- tion avec un fluide ou un mélange de fluides a l'aide de buses. 4. - Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'aspersion ou la pulvérisation sont limitées a la surface latérale revêtue (2) du produit. 5. - Méthode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le sens 7cng du produit (1) est sensiblement horizontal. 6. - Méthode selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le refroidissement du produit se fait par sa (ou ses) face(s) inférieu-;!s). 7. - Méthode selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le milieu de refroidissement (4) est essentiellement aqueux. 8. - Méthode selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le produit (1) est un produit en alliage d'Al à traitement thermique dont la section transversale est equivalente à celle diun produit plat d'épaisseur inférieure ou égale à 15 mm. 9. - Méthode selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le produit (1) est un produit en cuivre ou alliage cuivreux dont la section transversale est équivalente à celle d'un produit plat dont l'épaisseur est inferieure ou,égale à 35 mm. 10. - Méthode selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le produit (1) est un alliage ferreux dont la section transversale est équivalente à celle du produit plat dont l'épaisseur est inférieure ou égale à 8 mm. 11. - Méthode selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisée en ce que le débit surfacique des buses est inférieur à 2000 lm-2min.-1 et, de préférence, à 800 lm-2min.-1. 12. - Méthode selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisée en ce que la pression d'alimentation des buses est inférieure à 1,5 MPa (15 bars) et de préférence inférieure à 1 MPa (10 bars). 13. - Méthode selon l'une des revendications 3 à 12, caractérisée en ce que la distance des buses au produit est inférieure ou égale à 15 cm.

Inventors: BOUVAIST, JEAN, DUBOST, BRUNO
Applicants: CEGEDUR SOCIETE DE TRANSFORMATION DE L'ALUMINIUM PECHINEY
Application year: 1983
Main classification: C21D1
IPC codes: C21D1