Procédé de refroidissement modulé minimisant les déformations des produits plats métallurgiques

Abstract

 L'invention porte sur un procédé destiné à minimiser les déformations lors du refroidissement rapide de produits métallurgiques plats tels que tôles, bandes, méplats, profilés larges, etc.
La méthode consiste à refroidir rapidement le produit à l'aide d'un fluide (ou mélanges de fluides) à la température T_F
comportant au moins un liquide vaporisable et ceci de façon modulée dans une direction perpendiculaire à la direction de défilement du produit, de manière à imposer des vitesses de refroidissement différentes entre rives et axe (cas I) ou entre rives (cas II).
Cette technique qui peut être complétée par l'occultation judicieuse du refroidissement dans la zone d'attaque du refroidissement rapide ou par un prérefroidissement contrôlé avant ledit refroidissement rapide.
Cette méthode permet d'obtenir des refroidissements rapides nécessaires par exemple dans les opérations de trempe tout en minimisant les déformations ou le niveau des contraintes internes des produits plats.

Description

[0001] L'objet de l'invention concerne un procédé pour minimiser les déformations, lors du refroidissement rapide de produits plats métallurgiques tels que tôles, bandes, méplats, profilés larges, etc ...

[0002] De nombreuses méthodes et dispositifs ont été publiés dans la littérature technique pour résoudre ce problème de déformation macroscopique des produits plats lors du refroidissement, en particulier dans les lignes continues de traitements thermiques, tels que recuit, trempe, etc ...

[0003] La pratique habituellé-du refroidissement en continu de bandes, tôles, profilés larges, etc ..., métalliques, consiste à refroidir par aspersion ou pulvérisation d'un ou plusieurs fluide(s) un produit à température uniforme, dans une zone de forme rectangulaire, dont le front d'attaque est perpendiculaire à la direction de déplacement du produit (qui coincide avec son sens long); le refroidissement est généralement effectué sur les deux faces du produit, avec un débit surfacique (exprimé en volume de fluide important de produit par unité de surface et de temps) constant, mais il peut aussi être unilatéral.

[0004] Cette pratique conduit généralement à des déformations très importantes des produits qui augmentent lorsque la vitesse de refroidissement et/ou la largeur du produit augmente(nt) et/ou si la vitesse de défilement diminue; en particulier, dans le cas de la trempe des métaux et alliages, ces déformations de trempe apparaissent immédiatement en aval du front d'attaque du fluide, dans le domaine des températures les plus élevées où la limite élastique du métal est excessivement faible et peuvent avoir une amplitude telle qu'elles nuisent à l'homogénéité du refroidissement et empêchent son défilement normal, dans les installations; en particulier, des dégradations de l'état de surface dues aux frottements peuvent apparaître.

[0005] La réduction de ces distorsions permanentes des produits après la fin du refroidissement implique, soit une vitesse de défilement très rapide (donc des longueurs de zones de refroidissement excessivement longues et coûteuses), soit, dans tous les cas, des opérations finales de défripage, planage et détensionnement, par voie mécanique (laminoir, planeuse à rouleaux ou par traction), qui augmentent le coût de fabrication.

[0006] De plus, pour les produits qui doivent présenter un niveau de contraintes résiduelles très faibles, un détensionnement par traction contrôlée est nécessaire.

[0007] Un des moyens les plus récemment proconisés pour éviter les distorsions lors du refroidissement est enseigné par le brevet US 4 270 959 par utilisation d'un mode de refroidissement de bandes métalliques par air soufflé tel que la température des zones latérales de la bande soit inférieure à celle de la zone centrale, pendant toute la durée du refroidissement.

[0008] Cependant, ce procédé n'est pas adapté au cas des refroidissements rapides, pour lesquels il est nécessaire d'utiliser un fluide ou mélange de fluides de refroidissement comportant au moins un liquide vaporisable tel que l'eau par exemple, tant du point de vue métallurgique (vitesse de refroidissement insuffisante) que du point de vue des déformations permanentes après refroidissement.

[0009] La méthode, selon l'invention permet de résoudre ces difficultés. Elle consiste à refroidir rapidement le produit à l'aide d'un fluide (ou mélange de fluides) à la température T_F comportant au moins un liquide vaporisable et ceci de façon modulée, dans une direction perpendiculaire à la direction de déplacement du produit, entre la température initiale du produit T₀ et ^T_F.

[0010] Dans le cas où le refroidissement est symétrique par rapport à l'axe de défilement du produit (cas (I)), la modulation est appliquée entre l'axe de défilement et les rives; dans le cas d'un refroidissement dissymétrique (cas (II)) la modulation est appliquée entre une rive et l'autre; dans les deux cas, la modulation est telle que les courbes de refroidissement des points situés sur une perpendiculaire à l'axe de déplacement se coupent dans une zone de température comprise entre T_S = 3 (2 To + T_F) et Tⁱ _{= 3} (To + 2 T_F), de façon que les températures des zones centrales (cas I) ou d'une rive (cas II) restent inférieures à celles des rives (cas I) ou de l'autre rive (cas II) au moins dans le domaine des températures compris entre To et Ts, en établissant un gradient monotone de température entre les rives et le centre (cas I) ou entre les 2 rives (cas II). La modulation du refroidissement peut être obtenue par exemple par variation locale du débit surfacique de fluide et/ou variation locale de la composition ou de la nature du fluide.

[0011] Il en résulte que l'intensité du refroidissement exprimée par exemple en débit surfacique du fluide de refroidissement à une température donnée, généralement la température ambiante, qui est maintenue sensiblement constante le long de zones parallèles à l'axe du produit, diminue de façon progressive des rives vers l'axe de celui-ci (cas I) ou d'un bord à l'autre (cas II).

[0012] Les essais ont montré que pour obtenir des déformations minimales, la vitesse de défilement optimale dépend de la vitesse moyenne de refroidissement dans les intervalles T_S - Ti, de la largeur du produit et de l'écart des vitesses de refroidissement entre rive et centre (cas I) ou entre rives (cas II).

[0013] Pour améliorer ainsi la planéité, on a utilisé principalement deux techniques, prises soit isolément, soit en combinaison.

[0014] 1. La première technique consiste à interdire le refroidissement rapide dans des zones déterminées du produit en réalisant un front d'attaque du refroidissement anguleux (cas I) ou oblique (cas II), par exemple à l'aide de caches ou de rampes d'aspersion de disposition géométrique appropriée, la température du produit étant uniforme avant refroidissement rapide et pratiqué selon les caractéristiques de l'invention reportées ci-dessus.

[0015] Dans cette première variante et en première approximation, la zone interdite a la forme d'un (cas II) ou deux (cas I) triangle(s) rectangle(s) isocèle(s) dont les sommets de l'angle à 45° sont situés sur l'axe de la bande (point 0) et dont les côtés adjacents sont perpendiculaires à cet axe, et situé(s) à l'aval du point 0 dans le sens de défilement.

[0016] Dans une réalisation préférentielle, la zone interdite a la forme d'un (cas II) ou deux (cas I) "triangles" rectangle(s) dont "l'hypoténuse" , curviligne, a une concavité tournée vers le sommet à angle droit du triangle et qui est tangente en 0 à l'hypoténuse du triangle isocèle de base; cette courbe coupe le côté du triangle parallèle à l'axe du défilement du produit à une distance comprise entre 0,6 et une fois la largeur (cas II) ou la demi-largeur (cas I) du produit,comptée à partir du sommet de l'angle droit.

[0017] 2. L'autre solution consiste à effectuer un prérefroidissement local du produit abaissant la température de la zone axiale par rapport aux zones latérales (cas I) ou d'une zone de rive par rapport à l'autre (cas II), avant le refroidissement final énergique, dont l'attaque est alors un front rectiligne transversal.

[0018] Dans cette deuxième variante, il suffit d'abaisser la température des zones indiquées du produit de manière que la différence de température entre rives et axe (cas I) ou entre rives (cas II) atteigne To, avant le refroidissement final conforme à l'invention, le front d'attaque étant alors purement transversal.

[0019] La valeur de Δ To est sensiblement égale à :

formule dans laquelle k (k > 1) représente le rapport des vitesses moyennes de refroidissement entre les rives et l'axe (cas I) ou entre les rives (cas II) dans le domaine de températures compris entre Ts et Ti.

[0020] On peut également utiliser simultanément les deux méthodes; on impose, d'une part au front d'attaque du refroidissement rapide la forme d'un (cas II) ou de deux (cas I) triangle(s) rectangle(s) curviligne(s) faisant un angle α° avec la direction transversale du produit et dont "l'hypoténuse" coupe la (ou les) rive(s) à une distance du sommet de l'angle droit sensiblement égale à :

ou

L étant la largeur du produit avec

et

et d'autre part, on refroidit préalablement le produit de manière que la différence de température entre rives et axe (cas I) ou entre rives (cas II), comptée sur le front d'attaque, soit sensiblement égale à :


α étant exprimé en degrés.

La figure 1 représente une vue en élévation et une vue en plan d'une installation de refroidissement unilatéral permettant d'appliquer la méthode selon l'invention, à une bande métallique horizontale traitée en continu.

La figure 2 représente une vue en élévation et urevue en plan d'une installation de refroidissement bilatéral, permettant d'appliquer la méthode selon l'invention au traitement au défilé de tôles en position verticale.

La figure 3 représente en détail la forme des zones de refroidissement interdites, dans le cas de refroidissement symétrique (3-1) ou dissymétrique (3-II).i

La figure 4a représente la distribution des isothermes lors de l'exécution de la première variante.

La figure 4b représente la distribution des isothermes lors de l'exécution de la seconde variante, avec prérefroidissement.

[0021] Sur la figure 1, une bande métallique (1) sous la forme de bobine (2) est déroulée et passe dans un four de réchauffage (3), puis dans une installation de refroidissement (4) avant d'être réenroulée en bobine (2'); l'installation comporte évidemment les moyens moteurs et de supports de la bande (1) non représentés.

[0022] L'installation de refroidissement comporte une arrivée (5) de fluide sous pression (liquide ou gazeux), qui est réparti sur toute la surface de la bande (I) à l'aide de buses ou gicleurs (6), dont le débit est réglable sur chacune des alimentations (10) parallèlès au sens du déplacement (V) de la bande (1) par exemple à l'aide de vannes réglables (9); le fluide est récupéré dans un bac (7) et retourne au dispositif de compression ou de circulation (non représentés), après refroidissement éventuel, par la canalisation (5'). Le débit augmente systématiquement et progressivement de l'alimentation axiale vers les alimentations latérales.

[0023] Le système de refroidissement est muni d'un cache (8) à l'entrée de la bande (1) dans le dispositif de refroidissement (4) situé entre la bande (1) et les gicleurs (6) et ayant la forme reportée sur cette figure, et qui occulte donc une partie de l'aspersion.

[0024] Bien que la figure 1 ne représente qu'un mode de refroidissement unilatéral de la bande, le refroidissement bilatéral est bien sûr possible, de même que la variation de l'intensité du refroidissement dans le sens de la longueur de chaque rampe.

[0025] Sur la figure 2, des tôles (11) verticales défilent avec la vitesse (U) suspendues à un moyen de transport (12) de type monorail. Elles passent successivement dans le four de chauffage (13) et dans le système de refroidissement (14). Celui-ci comporte une série d'alimentations horizontales (15) munies de buses de pulvérisation d'eau (19) placées symétriquement de part et d'autre de la tôle (11). Celles-ci sont alimentées par le tube d'arrivée (16) par l'intermédiaire de vannes réglables (17). Les alimentations et la buse couvrent la surface de la tôle sauf un secteur (18) ayant la forme indiquée. La zone qui est refroidie en premier est donc celle de la rive inférieure de la tôle, afin d'éviter les perturbations dues au ruissellement du fluide de refroidissement sur les flans de la tôle (11).

[0026] Le débit du fluide est modulé dans chaque alimentation et diminue régulièrement de haut en bas de la tôle.

[0027] La figure 3 montre de façon plus détaillée la forme des zones de refroidissement interdites dans le cas d'un refroidissement symétrique (fig. 3-1) ou dissymétrique (fig. 3-11). Les triangles OAC et OA'C' sont isocèles-rectangles. Les surfaces OAB, OA'B' ont la forme d'un triangle rectangle dont "l'hypoténuse" curviligne fait avec OA ou AA' un angle 0( ,< 45°, dont la concavité est tournée vers le sommet de l'angle droit (A ou A') et dont la longueur AB = A'B' est donnée dans le texte ci-dessus.

[0028] La figure 4 représente dans un diagramme température-distance les courbes de refroidissement d'une bande (1) à diverses positions : aux bords (courbe E), au centre (courbe C) et aux quarts de la largeur (courbe Q) à partir d'une température initiale (T_o). Le refroidissement est modulé dans la largeur de la bande de telle façon que les courbes se coupent sensiblement à la température Tc, située entre 1 (2 To + T ) et 1 (To + 2 T ). 3 F 3 F

[0029] Sur la figure (4a), les caches ont la forme de deux triangles rectangles curvilignes OAB et OA'B' situés à l'aval du point 0, marquant le début de refroidissement sur l'axe de la bande. Les isothermes sur la bande ont les allures reportées sur les courbes (a) = B'OB, (b), (c), (d), qui correspondent à T , (e), etc ...

[0030] Sur la figure (4b), une zone de prérefroidissement (A) est ménagée avant la zone de refroidissement proprement dite (B); dans cette zone (A) le refroidissement sur l'axe du produit est accéléré par rapport aux bords, donnant aux courbes isothermes des allures telles que (a), (b), (c), (d).. Ceci est obtenu en modulant dans le sens de la largeur le débit de buses de refroidissement alimentées par exemple en air froid. Le refroidissement de la partie (B) est analogue à celui de la figure 4a. Les isothermes sont représentés en (f), (g), (h), qui correspondent à Tc, (i), etc ...

EXEMPLE 1

[0031] Nous avons trempé horizontalement au défilé par pulvérisation mécanique d'eau des tôles minces de dimensions 620 x 350 x 3,2 mm en alliage d'aluminium 2024 après mise en solution de 30 minutes à 495°C dans un four ventilé.

[0032] L'installation expérimentale comportait en aval du four :

- une zone de prérefroidissement modéré de la zone axiale des tôles (mi-largeur) par pulvérisation unilatérale d'eau sur la face inférieure des tôles au moyen de une ou de deux buses de petit diamètre (0 = 1,15 mm - type A) centrées sur l'axe longitudinal des tôles (suivant leur sens de défilement) et permettant, le cas échéant, d'imposer un prérefroidissement de la zone centrale par rapport aux rives de la tôle.

- une zone de refroidissement rapide (ou trempe dans le cas de l'alliage 2024) équipée de rampes de pulvérisation longitudinales situées de part et d'autre d'un chariot destiné à supporter et à translater horizontalement les tôles avec une vitesse de défilement V variable, de façon à simuler la trempe horizontale (sur la face inférieure des tôles) ou bilatérale (symétrique) au défilé en sortie d'un four à passage. Les rampes longitudinales étaient équipées de pulvérisateurs mécaniques à jets en cône plein d'angle 60° et de diamètres de buses égaux à 1,15 mm (buses type A), à 1,95 mm (buses type B), à 2,20 mm (buses type C) ou à 2,45 mm (buses type D) ajustées de façon à permettre, dans le cas de l'invention, une modulation transversale du refroidissement caractérisée par une évolution monotone de la température entre les rives de la tôle et l'axe de celle-ci (correspondant au cas I décrit précédemment).

[0033] Les rampes étaient alimentées en eau du réseau à température ambiante (Tf = 20°C) sous pression de 2,5 bars, ce qui permettait d'obtenir avec les différents types de buses utilisées des vitesses moyennes de refroidissement comprises entre environ 55°C/sec.(buses type A) et 160°C/sec. (buses type D).

[0034] Compte tenu du délai de manutention des tôles entre le four et l'installation de refroidissement, les tôles avaient une température sensiblement uniforme d'environ 480°C au début du prérefroidissement ou du refroidissement rapide.

[0035] Le front d'attaque du refroidissement rapide était délimité par un cache soit rectiligne et transversal (perpendiculaire à la direction de défilement des tôles parallèlement à leur axe), soit anguleux selon l'invention (cas I) avec un angle α entre la direction transversale des tôles et "l'hypoténuse" curviligne et une longueur de cache le long de la rive de la tôle égale K fois la demi-largeur des tôles.

[0036] Les déformations des tôles ont été observées lors du refroidissement rapide et les déformations rémanentes longitudinales (flèche ou amplitude des ondulations des tôles) ont été mesurées après trempe.

[0037] Le tableau I ci-après donne les conditions d'essais selon les procédures habituelles ou selon l'invention ainsi que les niveaux de déformations obtenus sur ces tôles. On donne en particulier la position du domaine des températures d'intersection des courbes de refroidissement des rives et de la mi-largeur par rapport au domaine préférentiel de l'invention, qui doit être compris dans ce cas entre

173°C.

[0038] Les résultats obtenus montrent que les tôles trempées selon la pratique habituelle (essais n° 1 ou 3) ou selon un mode de refroidissement favorisant une diminution de la température sur les rives par rapport à celle de la zone située à mi-largeur de la tôle dans le domaine des températures élevées (essai n° 4) sont très fortement déformées pendant le refroidissement rapide et conservent après trempe une cambrure importante le plus souvent associée à un gauchissement rendant difficile leur redressage.

[0039] Par contre, les tôles traitées selon l'invention (essais n° 2, 6, 8 et 9) par modulation transversale du refroidissement au moyen de rampes longi- tàdinales équipées de buses donnant des débits d'eau plus importants sur les rives qu'au centre associées à un prérefroidissement de la zone axiale et/ou à un front défini selon l'invention donnent lieu à des déformations permanentes faibles pendant le refroidissement si le domaine d'intersection des températures entre rives et mi-largeur est effectivement compris entre les températures Ts et Ti.

EXEMPLE 2

[0040] Nous avons trempé des tôles de 700 x 350 x 8 mm en alliage d'aluminium 7075 selon des procédés classiques ou selon l'invention dans le cas II décrit précédemment.

[0041] Dans l'installation expérimentale les tôles défilaient verticalement à 10 cm/ sec. sur un rail horizontal parallèle au bord longitudinal de la tôle, qui était accrochée à ce rail par sa rive supérieure au moyen d'épingles.

[0042] Après mise en solution de 45 minutes à 475°C les tôles ont été amenées rapidement par translation horizontale dans la zone de trempe constituée de 4 rampes longitudinales horizontales superposées dans un plan vertical et placées symétriquement de part et d'autre du plan de la tôle. La température initiale T₀ des tôles à l'entrée de la zone de refroidissement rapide était sensiblement uniforme dans toutes les tôles et voisines de 405°C. Les rampes étaient équipées de buses de pulvérisation mécanique d'eau du réseau à température Tf =20°C sous pression 4 bar₉ de diamètres similaires ou variables d'une rampe à l'autre dans le sens transversal des tôles, et identique aux buses A,B,C et D décrites dans l'exemple I précédent.

[0043] Le décalage des rampes le long de leur axe longitudinal et l'utilisation d'un cache de part et d'autre de la tôle permettant de définir une fenêtre de trempe soit rectangulaire ou parallélépipédique (cas de la pratique habituelle) soit à front incliné curviligne avec un front d'attaque de l'eau curviligne d'angle o( = 45° avec la verticale et coupant la rive supérieure à une distance égale à K fois la largeur de la tôle (dimension perpendiculaire à son sens de défilement).

[0044] Le tableau II ci-après donne les dispositions des rampes et buses utilisées (de la rive supérieure à la rive inférieure) ainsi que les conditions de refroidissement obtenues (vitesse moyenne de refroidissement - température d'intersection des courbes de refroidissement) mesurées par thermo-: couples placés à mi-épaisseur du voisinage des rives supérieure et inférieure.

[0045] Les conditions de refroidissement des zones centrales (entre rives) sont évidemment intermédiaires entre celles des rives.

[0046] On constate que la modulation transversale du refroidissement dans les conditions de l'invention, c'est-à-dire avec un domaine d'intersection des courbes d'évolution des températures des rives comprises entre Ts = 317°C et Ti = 168°C (Essai 3), permet d'améliorer considérablement la planéité des tôles par rapport à celle des tôles trempées selon la pratique courante (Essais 1 ou 2) ou dans de mauvaises conditions (Essai 4), tout en permettant de conserver, en moyenne dans toute la tôle, des vitesses de refroidissement élevées.

Revendications

1. Méthode de refroidissement rapide de produits plats métallurgiques initialement à une température sensiblement uniforme To à l'aide d'un fluide vaporisable (ou d'un mélange de fluides dont au moins un est vaporisable), à la température initiale T Fde façon modulée dans une direction perpendiculaire à la direction de déplacement du produit, caractérisée en ce que les courbes de refroidissement des points situés sur une même perpendiculaire à la direction de déplacement du produit se coupent dans une zone de température comprise entre

, la température des zones centrales (cas I) ou d'une rive (cas II) restant inférieure(s) à celles des zones de rives (cas I) ou de l'autre rive (cas II) correspondante, au moins dans le domaine de température compris entre To et Ts.

2. Méthode de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le refroidissement est modulé de façon à créer un gradient de température monotone entre rives et axe (cas I) ou entre rives (cas II).

3. Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que, le produit étant refroidi rapidement à partir de sa température To, on impose au front d'attaque du refroidissement rapide une forme curviligne dont la concavité est tournée vers l'amont par rapport au sens de défilement du produit et située dans un (cas II) ou deux (cas I) triangle(s) rectangle(s) isocèle(s) (OAC, OA'C'), 0 étant l'origine du refroidissement rapide.

4. Méthode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'avant le refroidissement rapide, le produit subit un prérefroidissement modéré imposant une décroissance monotone de la température entre rives et axe (cas I) ou entre rives (cas II) donnant naissance au droit du front d'attaque du refroidissement rapide à une différence de température entre rive et axe (cas I) ou entre rives (cas II) sensiblement égale à :

où k (k ≥ 1) est le rapport des vitesses moyennes de refroidissement entre rives et axe (cas I) ou rives (cas II) dans le domaine de températures compris entre Ts et Ti et α est l'angle (en degrés) de la tangente à l'origine (0) du front d'attaque avec une perpendiculaire au sens du défilement du produit.

5. Méthode selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que le front d'attaque coupe la (ou les) rive(s) du produit à une distance (AB) comptée à partir de l'origine du refroidissement rapide sensiblement égale à :

ou

avec

et L étant la largeur du produit mesurée perpendiculairement à la direction de défilement.

Dessins