Procédé de refroidissement minimisant les déformations des produits métallurgiques

Description

[0001] 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.

[0002] Le refroidissement des produits métallurgiques intervient dans un grand nombre d'opérations telles que la coulée et solidification, après la transformation à chaud sur divers outils (laminoirs, presses à filer, etc....) ou encore dans le cas de la trempe métallurgique.

[0003] Pour des raisons de productivité (en particulier pour le refroidissement des produits en continu au défilé), et/ou de qualité métallurgique (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 bipha- sique (air-eau). On sait que la densité de chaleur extraite des produits peut atteindre 1 à 5 MW/m² pour des débits d'eau de l'ordre de 20 kg/m²/sec., soit 1200 I/mi_n./_m2

[0004] Cependant, ces procédés présentent les inconvénients suivants:

a) la pulvérisation d'eau à fort débit (> 2000 I/ min./m²) et sous forte pression (p > 1,5 MPa ou 15 bar) entraîne des consommations d'eau importantes et nécessite des équipements onéreux (surpresseur de très forte capacité).

[0005] De plus, elle n'est pas adaptée 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 pulvérisation mécanique d'eau, à débit élevé.

[0006] La pulvérisation pneumatique présente l'inconvénient d'être onéreuse en raison du prix des buses (dix fois plus élevé que celui des buses mécaniques) et du coût élevé 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.

[0007] De plus, avec des vitesses de refroidissement élevées, les produits sont le siège d'un niveau de contraintes internes élevées s'ils sont épais, ou de déformations très importantes s'ils sont minces, ces deux effets étant néfastes:

- Les déformations 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 traction, 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 trempe, tels que cadres, brides, trempe sous presse, etc.... est d'une certaine efficacité, mais cependant limitée, car, de toute façon, et malgré toutes les précautions prises, le niveau de contraintes internes reste élevé.

[0008] Une méthode utilisée pour reduire les contraintes internes des produits métallurgiques est décrite dans le brevet FR 2286880. Celui-ci concerne cependant le refroidissement du produit de section non régulière, tels que rails, dont l'uniformisation du refroidissement est obtenue par emploi d'un revêtement isolant sur les parties qui se refroidissent le plus vite.

[0009] Au contraire, la méthode selon l'invention qui élimine ou du moins minimise les distorsions, a pour but de refroidir le produit métallurgique d'épaisseur sensiblement constante avec une vitesse de refroidissement aussi grande que possible et un mode de refroidissement différent entre approximativement deux moitiés adjacentes de sa surface extérieure, chacune d'elles s'étendant selon le sens long ou le plan principal du produit.

[0010] 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, on applique un refroidissement différent entre ses deux faces opposées. Bien sûr, la méthode est généralisable aux autres produits métallurgiques matricés, filés, forgés ou moulés pourvu qu'ils ne soient pas auto-bridés par leur forme et/ou leurs dimensions lors du refroidissement.

[0011] Selon la présente invention, ces buts sont atteints à l'aide des mesures indiquées dans la partie caractérisante de la revendication 1. Ainsi, le refroidissement différencié est assuré par les moyens suivants:

- dans le cas d'un refroidissement par immersion dans un milieu refroidisseur, par enduction de la moitié environ de la surface externe par un revêtement constitué d'un produit isolant ou nettement moins conducteur de la chaleur que l'alliage à refroidir (exemples: placage acier/alliage d'AI, poteyage isolant et réfractaire) 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.

[0012] 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 de produits non revêtus et ce, sans distorsion notable. Le fluide de refroidissement généralement utilisé est essentiellement constitué d'eau, éventuellement additionnée de certains adjuvants (anticorrosion, anti- moussant, etc...).

[0013] Le revêtement peut être effectué à un stade quelconque de la gamme de fabrication, antérieur au refroidissement pourvu que celui-ci reste adhérent et conserve son efficacité au cours de la gamme (par example, le produit peut être revêtu avant le chauffage de mise en solution qui précède la trempe).

[0014] 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.

[0015] 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 tranversales et d'épaisseurs sensiblement constantes.

[0016] Pour l'AI et les alliages d'aluminium, l'épaisseur des produits plats est, de préférence, inférieure ou égale à 15 mm (ce qui correspond sensiblement à un diamètre de 30 mm pour une barre ronde pleine).

[0017] 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).

[0018] Pour les aciers ou les alliages ferreux, l'épaisseur est, de préférence, inférieure ou égale à 8 mm (ou à un diamètre de 15 mm environ).

[0019] On considérera que deux produits ont des sections transversales équivalentes si le rapport surface latérale extérieure/volume est le même.

[0020] La méthode s'applique particulièrement bien à la trempe des alliages d'AI à haute résistance pour lesquels les caractéristiques d'emploi (résistance mécanique et/ou à la corrosion) ne sont pratiquement pas modifiées par rapport à la trempe classique avec, cependant, des déformations très faibles.

[0021] Lorsque le refroidissement est assuré 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 inférieurs à 2000 I/min./m² et, de préférence, 8001/min./m2; les buses sont placées à une distance inférieure à 15 cm de la surface de produit, et la pression d'injection est inférieure à 1,5MPa (15 bars) et, de préférence, 1 MPa (10 bars).

[0022] Le procédé suivant l'invention offre, par rapport aux méthodes de refroidissement classiques, les avantages suivants:

- Produits minces (voir dimensions ci-dessus): absence de distorsions notables ou meilleure planéité (ou rectitude) et contraintes résiduelles faibles après refroidissement même rapide, élimination ou simplification des opérations de planage, dressage ou remise en forme ultérieure (par exemple traction ou compression contrôlées des alliages d'AI avant revenu ou maturation).

- Pour les produits de dimensions quelconques:

conservation des propriétés optimales (résistance mécanique, tenue à la corrosion) à l'état d'utilisation:

diminution des consommations ou volumes de fluide de refroidissement mises en jeu;

meilleure fiabilité ou répétabilité des opérations de refroidissement

possibilité de contrôle et de modulation des vitesses de refroidissement des produits.

[0023] L'invention sera mieux comprise à l'aide des dessins et exemples suivants:

[0024] La figure 1 représente une vue en bout de produits (1)

(a) barre ronde

(b) tôle

(c) tube cylindrique

(d) cornière (côté intérieur)

(e) profilé quelconque

munis d'un revêtement isolant (2), sur environ la moitié de leur surface extérieure et refroidis soit à l'aide de buses de pulvérisation (3), soit par immersion dans un milieu refroidisseur (4) contenu dans le bac (5).

[0025] La figure 2 représente les caractéristiques de déformation après refroidissement: flèche (f) et tuile (t) d'un produit plat rectangulaire, initialement plan.

Exemple 1 :

[0026] Trois tôles de dimension 400x400x10 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 ventilé.

[0027] Les tôles A et B, non revêtues, ont été trempées dans des bacs d'eau à des températures respectivement égales à 20°C et 60°C. La tôle (C) a été trempée par immersion dans l'eau à 60°C après décapage des surfaces et revêtement d'une seule grande surface au moyen d'une couche continue isolante de faible effusivité thermique, constituée essentiellement d'un mélange de silicate de sodium en solution dans l'eau, de sulfate de baryum et d'oxyde de titane.

[0028] Le tableau 1 ci-dessous donne les vitesses de trempe mesurées entre 400 et 250°C 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-épaisseur au centre des tôles, mesurées après revenu à l'état T6 (24 h à 120°C). On constate, en particulier, que la tôle (C) trempée selon l'invention par refroidissement dissymétrique, est dotée à la fois des caractéristiques mécaniques de traction équivalentes 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 symétriquement avec des vitesses de refroidissement pourtant relativement lentes.

[0029] 

Exemple 2:

[0030] Des tôles minces de dimension 630x350x2 mm (épaisseur totale) en alliages d'aluminium (7475) plaquées de 70 µm d'alliage d'aluminium (7072) sur chaque face, ont été trempées après mise en solution de 30 minutes à 475°C, 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.

[0031] La pulvérisation était assurée sur toute la surface inférieure horizontale des tôles par des buses à jets adjacents à cône plein, d'angle environ 60°, délivrant un débit surfacique de 1451/ min./m² sous une pression de 3 bars (0,3 MPa).

[0032] Le tableau Il ci-dessous donne les déformations des tôles après trempe, la conductivité électrique superficielle des tôles cinq jours après trempe (qui est d'autant plus basse à l'état trempé-mûri que la trempe est plus rapide), la vitesse de refroidissement moyenne des tôles dans l'intervalle critique de trempe (400-250°C) et les caractéristiques mécaniques sur éprouvettes de traction traitées par revenu à l'état - T76 (6 h à 107°C + 16 h à 160°C) après décapage du revêtement et traction contrôlée des tôles avant revenu.

[0033] 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:

[0034] Nous avons trempé, par pulvérisation horizontale au défilé ou en statique, des tôles de dimension 650x350x4 mm en alliage d'aluminium (2024) après mise en solution de 30 minutes à 495°C en four à air ventilé.

[0035] 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 de pulvérisation étaient constituées de pulvérisateurs en jets à cône plein, d'angle 60°, alimentés par un débit d'eau à 15°C pressurisée à 6,5 bars. Une tôle a été trempée par pulvérisation symétrique sur les deux faces non revêtues, selon la pratique habituelle. Les autres tôles ont été trempées 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.

[0036] Le tableau III ci-dessous donne les conditions d'essai, les vitesses de refroidissement moyennes mesurées entre 400 et 250°C par thermocouples au centre des tôles, les déformations des tôles 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 distillée selon la norme AIR 9048.

[0037] On constate que la trempe dissymétrique au défilé de la tôle revêtue selon l'invention améliore à la fois les vitesses de trempe (x2 environ) et la résistance à 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:

[0038] Nous avons trempé par pulvérisation mécanique au défilé à 25 cm/s, après mise en solution de 1 h à 500°C, des cornières de section 50x50x5 mm et de longueur 600 mm en alliage d'aluminium (6061).

[0039] Deux cornières ont été trempées à l'eau à 18°C, soit par pulvérisation 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 (Na,0:3,3SiO.) en solution dans l'eau à densité 1,08 (voir figure 1 d).

[0040] Les buses donnaient des jets à cône plein, d'angle 60°, avec un débit surfacique de 5801/ min./m² sous une pression d'eau de 6 bars (0,6 M Pa).

[0041] Le tableau IV ci-après donne les conditions d'essais ainsi que les vitesses de refroidissement et les déformations longitudinales moyennes (flèches) après trempe. Les résultats montrent que la cornière trempée par pulvérisation unilatérale 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.

[0042] Le revêtement et la trempe unilatérale permettent d'augmenter notablement la productivité (x 3) avec des déformations de trempe acceptables.

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 de la face revêtue (2) du produit, avec un milieu de refroidissement aqueux (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.

3. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le refroidissement du produit revêtu se fait par aspersion ou pulvérisation avec un fluide ou un mélange de fluides à l'aide de buses.

4. Méthode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le sens long du produit (1) est sensiblement horizontal.

5. Méthode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le refroidissement du produit se fait par sa (ou ses) face(s) inférieure(s).

6. Méthode selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le produit (1) est un produit en alliage d'AI à traitement thermique dont la section transversale est équivalente à celle d'un produit plat d'épaisseur inférieure ou égale à 15mm.

7. Méthode selon l'une des revendications 1 à 5, 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 inférieure ou égale à 35mm.

8. Méthode selon l'une des revendications 1 à 5, 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.

9. Méthode selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisée en ce que le débit surfacique des buses est inférieur à 2000 I/min./m² et de préférence, à 800 I/min./m2.

10. Méthode selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que la pression d'alimentation des buses est inférieure à 1,5 MPa (15bars) et de préférence inférieure à 1 MPa (10 bars).

11. Méthode selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisée en ce que la distance des buses au produit est inférieure ou égale à 15 cm.

Ansprüche

1. Verfahren zum Abkühlen metallurgischer Erzeugnisse (1), die im wesentlichen lang oder eben und von praktisch konstanter Dicke sind, zwecks Minimalhaltung der geometrischen Deformationen ohne Änderung der Verwendungseigenschaften, dadurch gekennzeichnet, dass man im wesentlichen die Hälfte der Seitenoberfläche mit einem isolierenden oder schlechter wärmeleitenden Überzug (2) als das abzukühlende Erzeugnis (1) vor der Kontaktierung der beschichteten Fläche (2) des Erzeugnisses mit einem wässerigen Kühlmedium (4) beschichtet.

2. Verfahren durch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung durch Eintauchen in ein Fluid (oder Gemisch von Fluiden) oder eine Suspension erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des beschichteten Erzeugnisses durch Bespritzen oder Besprühen mit einem Fluid oder einem Gemisch von Fluiden mit Hilfe von Düsen erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrichtung des Erzeugnisses (1) im wesentlichen horizontal ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Erzeugnisses von seiner (oder seinen) Unterseite(n) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis (1) ein Erzeugnis aus Aluminiumlegierung mit Wärmebehandlung ist, dessen Querschnitt äquivalent dem eines ebenen Erzeugnisses mit einer Dicke unter oder gleich 15 mm ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis (1) ein Erzeugnis aus Kupfer oder Kupferlegierung ist, dessen Querschnitt äquivalent dem eines ebenen Erzeugnisses ist, dessen Dicke unter oder gleich 35 mm ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis (1) eine Eisenlegierung ist, deren Querschnitt äquivalent dem des ebenen Erzeugnisses ist, dessen Dicke unter oder gleich 8 mm ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächendurchsatz der Düsen unter 2000 1/min./_M² und vorzugsweise unter 800 I/min./ m² ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Speisungsdruck der Düsen unter 1,5 MPa (15 bar) und vorzugsweise unter 1 MPa (10 bar) ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Düsen zum Erzeugnis unter oder gleich 15 cm ist.

Claims

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).

2. Method according to claim 1, characterised in that cooling is effected by immersion in a fluid (or mixture of fluids) or a suspension.

3. Method according to claim 1, characterised in that cooling of the covering product is effected by sprinkling or spraying with a fluid or mixture of fluids from nozzles.

4. Method according to one of claims 1 to 3, characterised in that the longitudinal direction of the product (1) is substantially horizontal.

5. Method according to one of claims 1 to 4, characterised in that the product is cooled on its one or more than one lower surface.

6. Method according to one of claims 1 to 5, characterised in that the product (1) is a product of heat treated aluminium alloy the cross-section of which is equivalent to that of a flat product the thickness of which is equal to or less than 15 mm.

7. Method according to one of claims 1 to 5, characterised in that the product (1) is a product of copper or copper alloy the cross-section of which is equivalent to that of a flat product, the thickness of which is less than or equal to 35 mm.

8. Method according to one of claims 1 to 5, characterised in that the product (1) is that of an iron alloy having a cross-section equivalent to that of a flat product having a thickness equal to or less than 8 mm.

9. Method according to one of claims 3 to 8, characterised in that the output per surface area of the nozzles is less than 2000 I/min. m², preferably 800 I/min. m^2.

10. Method according to one of claims 6 to 9, characterised in that the supply pressure of the nozzles is less than 1.5 MPa (15 bars) and preferably less than 1 MPa (10 bars).

11. Method according to one of claims 3 to 10, characterised in that the distance of the nozzles from the product is less than or equal to 15 cm.

Dessins