Procédé et installation de refroidissement d'une bande métallique en défilement

Abstract

 Pour refroidir une bande métallique (2) en défilement continu :

• on applique la bande (2) sur un rouleau de refroidissement principal (10) de façon à ce que la bande forme un arc dont l'intrados délimite avec la face extérieure de ce rouleau une zone de contact adaptée pour évacuer vers l'intérieur du rouleau une partie de la chaleur de la bande,
• on maintient la bande (2) en contact avec le rouleau de refroidissement principal (10) au moyen d'un rouleau (14) d'appui sur l'extrados de la bande, constitué d'une matière élastiquement déformable et thermo-capacitive, et
• on évacue la chaleur transmise de la bande (2) au rouleau d'appui (14) par l'intermédiaire de moyens (16) de refroidissement secondaire.

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé et une installation de refroidissement d'une bande métallique en défilement.

[0002] Elle s'applique notamment aux traitements sous vide d'une telle bande, en particulier aux revêtements à chaud.

[0003] Pour mener à bien des opérations de traitements thermiques, tels que des recuits ou des revêtements continus, d'une bande d'acier, il est généralement nécessaire de successivement chauffer et refroidir la bande, avec des vitesses prédéterminées. Pour refroidir une telle bande de manière contrôlée, on trempe la bande soit par un jet de gaz, soit par un jet de liquide, soit par au moins un rouleau de refroidissement sur lequel la bande vient en contact.

[0004] Les procédés connus de refroidissement par rouleau consistent à appliquer une bande qui se déplace suivant un mouvement continu sur au moins un rouleau de refroidissement à l'intérieur duquel circule un liquide réfrigérant, notamment de l'eau froide. Le rouleau est mobile en rotation autour de son axe, en étant entraîné soit par le frottement de la bande en défilement, soit par un ensemble motorisé propre. La bande ainsi appliquée sur le rouleau forme un arc dont l'intrados délimite avec la face extérieure du rouleau une zone de contact adaptée pour évacuer vers l'intérieur du rouleau une partie de la chaleur de la bande.

[0005] Pour améliorer le contact entre la bande et le rouleau de refroidissement, on a proposé par le passé de maintenir l'arc de bande en contact avec le rouleau au moyen de rouleaux métalliques d'appui sur l'extrados de l'arc. Pour garantir le maintien d'un effet de plaquage de la bande sur le rouleau de refroidissement, chacun de ces rouleaux d'appui est monté à rotation libre autour de son axe, à l'extrémité de bras rigides, dont l'éloignement par rapport au rouleau de refroidissement est prédéterminé en fonction de l'épaisseur de la bande.

[0006] Bien que de tels rouleaux d'appui métalliques génèrent le maintien escompté de la bande sur le rouleau de refroidissement, ils font courir le risque d'une part de marquer l'extrados de la bande, ce marquage pouvant être très profond en cas de défaut de parallélisme des axes du rouleau de refroidissement et des rouleaux d'appui, et d'autre part de perturber le refroidissement de la bande en raison de la rapide accumulation de chaleur dans les rouleaux d'appui.

[0007] Le but de la présente invention est de proposer un procédé et une installation de refroidissement d'une bande métallique en défilement, qui permettent de maintenir fermement la bande contre un rouleau de refroidissement, tout en contrôlant ce refroidissement et sans pour autant nuire à l'état de surface de la bande.

[0008] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de refroidissement d'une bande métallique en défilement, du type dans lequel :

• on déplace en continu la bande métallique à refroidir,
• on applique la bande sur un rouleau de refroidissement principal mobile autour de son axe de façon à ce que la bande forme un arc dont l'intrados délimite avec la face extérieure du rouleau de refroidissement principal une zone de contact adaptée pour évacuer vers l'intérieur de ce rouleau une partie de la chaleur de la bande, et
• on maintient la bande en contact avec le rouleau de refroidissement principal au moyen d'au moins un rouleau d'appui sur l'extrados de l'arc formé par la bande, le ou chaque rouleau d'appui étant disposé sensiblement parallèlement au rouleau de refroidissement principal et mobile en rotation autour de son axe,

caractérisé en ce que le ou chaque rouleau d'appui est constitué, au moins en périphérie, d'une matière élastiquement déformable et thermo-capacitive, et en ce qu'on évacue la chaleur transmise de la bande à le ou chaque rouleau d'appui par des moyens de refroidissement secondaire adaptés pour former avec une partie de la face externe du ou de chaque rouleau d'appui une zone de transfert de chaleur vers ces moyens de refroidissement secondaire.

[0009] Suivant d'autres caractéristiques de ce procédé, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

• le ou chaque rouleau d'appui s'étend sur au moins toute la largeur de la bande de façon à appliquer sur l'extrados de l'arc formé par la bande une pression sensiblement homogène sur toute cette largeur ;
• la température de la bande appliquée en entrée du rouleau de refroidissement principal est inférieure à la température de dégradation de la matière constituant le ou les rouleaux d'appui ; et
• la température de la bande appliquée en entrée est inférieure à environ 200°C.

[0010] L'invention a également pour objet une installation de refroidissement d'une bande métallique en défilement, ladite bande à refroidir étant déplacée en continu, du type comportant un rouleau de refroidissement principal sur lequel est appliquée la bande de façon à former un arc dont l'intrados délimite avec la face extérieure de ce rouleau une zone de contact adaptée pour évacuer vers l'intérieur du rouleau de refroidissement principal une partie de la chaleur de la bande, et au moins un rouleau d'appui sur l'extrados de l'arc formé par la bande, adapté pour maintenir la bande en contact sur le rouleau de refroidissement principal, le ou chaque rouleau d'appui étant disposé sensiblement parallèlement au rouleau de refroidissement principal et mobile en rotation autour de son axe, caractérisée en ce que le ou chaque rouleau d'appui est constitué, au moins en périphérie, d'une matière élastiquement déformable et thermo-capacitive, et en ce que l'installation comporte des moyens de refroidissement secondaire adaptés pour former avec une partie de la face externe du ou de chaque rouleau d'appui une zone de transfert de chaleur vers ces moyens de refroidissement secondaire en vue d'évacuer la chaleur transmise de la bande à le ou chaque rouleau d'appui.

[0011] Selon d'autres caractéristiques de cette installation, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

• le ou chaque rouleau d'appui est réalisé, au moins en périphérie, en élastomère, notamment en silicone vulcanisé ;
• la matière dont est constitué au moins en périphérie le ou chaque rouleau d'appui, possède un coefficient de conductibilité thermique inférieur à 1 W/m.K ;
• le diamètre du ou de chaque rouleau d'appui est compris entre un quart et un dixième du diamètre du rouleau de refroidissement principal ;
• les moyens de refroidissement secondaire comportent au moins un rouleau de refroidissement secondaire mobile en rotation autour de son axe et disposé sensiblement parallèlement aux rouleaux d'appui ; et
• l'installation comporte des moyens d'alimentation avec un fluide caloporteur, communs au rouleau de refroidissement principal et aux moyens de refroidissement secondaire.

[0012] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels :

• la figure 1 est une vue schématique d'une installation de refroidissement selon l'invention ;
• les figures 2 et 3 sont des vues analogues à la figure 1, illustrant deux variantes de l'installation selon l'invention.

[0013] L'installation 1 représentée sur la figure 1 est destinée à refroidir une bande d'acier 2, défilant suivant le sens indiqué par les flèches 4. Cette installation est par exemple utilisée lors de traitements de revêtements de la bande, notamment sous vide.

[0014] Cette installation comporte :

• deux cylindres 8A et 8B de déflection de la bande 2, pourvus éventuellement d'un système motorisé d'entraînement non représenté ;
• un rouleau 10 de refroidissement principal, d'axe X-X et agencé vis-à-vis des cylindres déflecteurs 8A et 8B de façon à ce que ces derniers guident la bande 2 de manière adéquate, respectivement en entrée et en sortie du rouleau 10 ;
• un rouleau 14 d'appui de la bande sur le rouleau de refroidissement 10, d'axe Z-Z sensiblement parallèle à l'axe X-X du rouleau 10 et de préférence disposé sensiblement à l'aplomb de la zone d'enroulement de la bande autour du rouleau 10 ; et
• un rouleau 16 de refroidissement secondaire, d'axe X'-X' parallèle à l'axe Z-Z des rouleaux 14, disposé en contact avec ces rouleaux 14 du côté opposé à celui du rouleau 10, un même plan P formant des plans médians pour les rouleaux 10 et 16.

[0015] Plus précisément, le rouleau de refroidissement principal 10 et le rouleau de refroidissement secondaire 16 sont à même d'évacuer des calories depuis leur face extérieure vers l'intérieur des rouleaux lorsqu'un corps chaud est appliqué sur eux. A cet effet, les rouleaux 10 et 16 comportent, de manière connue, une double enveloppe permettant de faire circuler en périphérie interne de ces rouleaux un fluide réfrigérant, tel que de l'eau froide. D'autres types de rouleau de refroidissement par contact, connus par l'homme du métier, sont envisageables.

[0016] Le rouleau d'appui 14 quant à lui formé d'une pièce monobloc cylindrique d'axe Z-Z ou d'un empilement de cylindres coaxiaux de faible épaisseur dépendants ou non. Le rouleau 14 est réalisé en une matière élastiquement déformable, notamment en élastomère. Pour la présente invention, l'expression «matière élastiquement déformable» est à considérer comme désignant de manière générale un matériau dont le module d'élasticité (ou module de Young) est nettement plus faible que celui du matériau formant la bande 2, pour des raisons développées plus loin. A titre d'exemple d'un élastomère approprié, on peut citer un silicone vulcanisé.

[0017] La matière constituant le rouleau d'appui 14 présente en outre des propriétés de conductibilité et de capacité thermiques préférées, à savoir qu'elle ne doit pas être totalement ou quasiment totalement résistante à la conduction de la chaleur, comme pourrait l'être par exemple un matériau céramique, mais ne doit pas non plus nécessairement assurer une conduction importante comme un alliage métallique courant. Elle doit en outre pouvoir stocker en son sein l'énergie thermique soutirée à la bande. L'élastomère dont est constitué le rouleau d'appui 14 possède par exemple un coefficient de conductibilité thermique inférieur à environ 1 W/m.K (watt par mètre et par Kelvin) et une capacité calorifique élevée, par exemple de l'ordre de 1000 J/kg.K (joule par kilogramme et par Kelvin).

[0018] Le diamètre du rouleau 14 est de préférence compris entre un quart et un dixième du diamètre du rouleau 10. De plus, la longueur de ce rouleau 14 est au moins légèrement supérieure à la largeur de la bande 2.

[0019] Le fonctionnement de l'installation 1, qui illustre le procédé selon l'invention, est le suivant :

[0020] La bande 2, provenant en amont de l'installation 1 d'une installation attenante de production, d'une bobine ou d'une installation de chauffage non représentées, arrive en entrée de l'installation 1 à une température considérée comme chaude, comprise notamment entre la température ambiante et une température haute au-delà de laquelle la matière constituant le rouleau d'appui 14 risque d'être dégradée, c'est-à-dire par exemple entre la température ambiante et environ 200°C. Son entraînement peut être au moins partiellement assuré par le cylindre 8A.

[0021] La bande 2 est, en sortie du cylindre 8A, appliquée sur le rouleau de refroidissement principal 10, autour duquel la bande forme un arc le plus grand possible, par exemple de 240° environ, dont l'intrados est en contact avec la face extérieure du cylindre 10. Lors de son application sur le rouleau 10, l'arc formé par la bande 2 est, de préférence dans sa zone de début d'enroulement, maintenu en contact pressé sur ce rouleau par les rouleaux d'appui 14.

[0022] La position relative du rouleau 14 par rapport à la surface extérieure du rouleau 10 est soit pré-réglée, notamment en fonction de l'épaisseur de la bande 2, soit commandée par des moyens de support élastiquement déformables de façon à ce que l'extrados de la bande 2 soit soumise à une pression de contact suffisante pour aplanir la bande suivant sa largeur et pour favoriser le transfert de chaleur de la bande au rouleau de refroidissement 10 en augmentant la surface de contact entre l'intrados de cette bande et la face extérieure de ce rouleau.

[0023] La faible rigidité de la matière formant les rouleaux d'appui limite les risques de marquage de l'extrados de la bande, même dans le cas où existe un défaut de parallélisme entre les axes Z-Z et X-X. De plus, la bande 2 présente alors une bonne planéité transversale.

[0024] En outre, la matière formant les rouleaux d'appui 14 étant thermo-capacitive, une partie de la chaleur de la bande est transférée de la bande au rouleau d'appui, assurant ainsi un refroidissement complémentaire de la bande.

[0025] Le défilement de la bande 2 entraîne le rouleau d'appui 14 en rotation autour de son axe, ce rouleau 14 entraînant lui-même le rouleau de refroidissement secondaire 16. La zone de contact que maintient le rouleau d'appui 14 avec le rouleau 16 permet le transfert de chaleur depuis la partie périphérique du rouleau 14 jusqu'à l'intérieur du rouleau 16. Comme la matière formant les rouleaux d'appui est fortement thermo-capacitive, la chaleur transférée de la bande au rouleau d'appui 14 est stockée en périphérie du rouleau 14 avant d'être à son tour transférée aux rouleaux de refroidissement 16.

[0026] L'élasticité de la matière formant le rouleau d'appui 14 assure, même en cas de manque de parallélisme entre les axes Z-Z et X' -X', la formation d'une grande surface de contact entre le rouleau 14 et la face extérieur du rouleau 16, et donc un bon transfert calorifique.

[0027] En sortie du rouleau 10, la bande 2 s'enroule autour du cylindre déflecteur 8B et sort de l'installation 1.

[0028] Le procédé selon l'invention permet ainsi de refroidir de manière contrôlée la bande 2, sans endommager ni marquer ses surfaces. Le refroidissement obtenu est à la fois homogène, assurant par là l'homogénéité des qualités de la bande refroidie, et rapide, ce qui permet de réduire la durée du refroidissement et ainsi la longueur de la zone correspondante.

[0029] L'utilisation d'élastomère pour former les rouleaux d'appui 14 est peu onéreuse et le rouleau de refroidissement secondaire 16 relève d'une technologie déjà existante. D'ailleurs, le réseau de circulation du fluide réfrigérant envoyé au rouleau de refroidissement principal 10 peut avantageusement être utilisé, par exemple au moyen de dérivations, pour alimenter le rouleau de refroidissement secondaire 16. En d'autres termes, à partir d'une installation de refroidissement pré-existante, le coût d'investissement pour disposer d'une installation selon l'invention est minime.

[0030] Sur la figure 2 est représentée une variante de l'installation 1 qui se distingue de celle de la figure 1 par, d'une part, la mise en place, entre le rouleau de refroidissement principal 10 et le rouleau de refroidissement secondaire 16, de deux rouleaux d'appui 14 au lieu d'un, et, d'autre part, le remplacement du cylindre déflecteur de sortie 8B par un deuxième cylindre de refroidissement principal 12, par exemple analogue au rouleau 10. Le fonctionnement de cette installation est sensiblement analogue à celui de la figure 1.

[0031] Des exemples de mises en oeuvre de procédés selon l'art antérieur et selon l'invention avec l'installation 1 de la figure 2 sont détaillés ci-dessous. Dans les deux tableaux ci-après sont résumés les paramètres de fonctionnement de cette installation :

[0032] Dans le tableau ci-après sont résumés des résultats d'essais :

[0033] Les essais 1 et 2 sont réalisés sans aucun rouleau d'appui, tandis que les essais 3 et 4 sont réalisés avec les deux rouleaux d'appui 14 en élastomère comme représenté sur la figure 2.

[0034] On constate une efficacité de refroidissement quinze fois plus importante sur le premier rouleau de refroidissement principal 10 lorsque celui-ci est associé aux deux rouleaux d'appui 14, mais également une augmentation sensible sur le second rouleau de refroidissement 12. ces résultats traduisent le fait que les rouleaux d'appui 14 rendent une bonne planéité transversale à la bande 2, permettant un refroidissement important et homogène sur la largeur de la bande. Des mesures de température par thermographie infra-rouge confirment d'ailleurs que le refroidissement de température est bien homogène.

[0035] Par ailleurs, concernant la température atteinte par les rouleaux d'appui 14, on a pu déterminer que, localement, la couche superficielle de matière des rouleaux 14 peut atteindre pendant un temps assez court, de l'ordre de la durée du contact, la température de la bande 2 avec laquelle ces rouleaux sont en contact. C'est surtout le cas lorsque la vitesse de défilement de la bande est faible, par exemple de l'ordre de 20 m/min pour l'exemple de mise en oeuvre détaillé dans les tableaux 1 et 2 ci-dessus.

[0036] Cependant, lorsque la vitesse de défilement de la bande augmente, la durée de contact de l'élastomère sur la bande ne suffit pas pour que l'échange de chaleur soit complet, la température de l'élastomère restant alors inférieure à celle de la bande. Ainsi, pour une vitesse de défilement de l'ordre de 150 m/min, ce qui correspond à une vitesse de défilement pour une installation industrielle, et pour une température d'entrée de la bande de l'ordre de 150°C, l'élastomère atteint localement au maximum une température de l'ordre de 100°C, ce qui correspond à une température de service courante pour la plupart des élastomères vulcanisés.

[0037] Divers aménagements et variantes au procédé et à l'installation décrits ci-dessus sont envisageables. En particulier, Le nombre de rouleaux d'appui et de rouleaux de refroidissement secondaire, leurs dimensions, ainsi que leur agencement ne sont limités que par l'espace libre disponible autour du rouleau de refroidissement principal considéré. Toute combinaison est possible, pour autant que chaque rouleau d'appui soit refroidi par au moins un rouleau secondaire. A titre d'exemple, la figure 3 représente un rouleau de refroidissement principal 10 associé à cinq rouleaux d'appui 14 et à quatre rouleaux de refroidissement secondaire 16.

[0038] En outre, le ou les rouleaux d'appui 14 peuvent comporter une structure multicouches, seules la et/ou les couches externes devant posséder les caractéristiques de souplesse et de capacité thermique détaillées plus haut pour réaliser l'invention.

[0039] Par ailleurs, le rouleau de refroidissement 16 est remplaçable par d'autres moyens de refroidissement secondaire, tels que des systèmes à trempe par jet de gaz tant que ces moyens forment avec une partie de la face externe des rouleaux d'appui une zone suffisante d'évacuation de chaleur.

Revendications

1. Procédé de refroidissement d'une bande métallique en défilement, du type dans lequel :

- on déplace en continu la bande métallique (2) à refroidir,

- on applique la bande (2) sur un rouleau de refroidissement principal (10) mobile autour de son axe (X-X) de façon à ce que la bande forme un arc dont l'intrados délimite avec la face extérieure du rouleau de refroidissement principal une zone de contact adaptée pour évacuer vers l'intérieur de ce rouleau une partie de la chaleur de la bande, et

- on maintient la bande (2) en contact avec le rouleau de refroidissement principal (10) au moyen d'au moins un rouleau (14) d'appui sur l'extrados de l'arc formé par la bande, le ou chaque rouleau d'appui étant disposé sensiblement parallèlement au rouleau de refroidissement principal (10) et mobile en rotation autour de son axe (Z-Z),

caractérisé en ce que le ou chaque rouleau d'appui (14) est constitué, au moins en périphérie, d'une matière élastiquement déformable et thermo-capacitive, et en ce qu'on évacue la chaleur transmise de la bande (2) à le ou chaque rouleau d'appui (14) par des moyens (16) de refroidissement secondaire adaptés pour former avec une partie de la face externe du ou de chaque rouleau d'appui (14) une zone de transfert de chaleur vers ces moyens de refroidissement secondaire (16).

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le ou chaque rouleau d'appui (14) s'étend sur au moins toute la largeur de la bande (2) de façon à appliquer sur l'extrados de l'arc formé par la bande une pression sensiblement homogène sur toute cette largeur.

3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la température de la bande (2) appliquée en entrée du rouleau de refroidissement principal (10) est inférieure à la température de dégration de la matière constituant le ou les rouleaux d'appui (14).

4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ladite température de la bande appliquée en entrée est inférieure à environ 200°C.

5. Installation de refroidissement d'une bande métallique en défilement, ladite bande (2) à refroidir étant déplacée en continu du type comportant un rouleau de refroidissement principal (10) sur lequel est appliquée la bande (2) de façon à former un arc dont l'intrados délimite avec la face extérieure de ce rouleau (10) une zone de contact adaptée pour évacuer vers l'intérieur du rouleau de refroidissement principal une partie de la chaleur de la bande, et au moins un rouleau (14) d'appui sur l'extrados de l'arc formé par la bande, adapté pour maintenir la bande en contact sur le rouleau de refroidissement principal (10), le ou chaque rouleau d'appui étant disposé sensiblement parallèlement au rouleau de refroidissement principal et mobile en rotation autour de son axe (Z-Z), caractérisée en ce que le ou chaque rouleau d'appui (14) est constitué, au moins en périphérie, d'une matière élastiquement déformable et thermo-capacitive, et en ce que l'installation (1) comporte des moyens (16) de refroidissement secondaire adaptés pour former avec une partie de la face externe du ou de chaque rouleau d'appui (14) une zone de transfert de chaleur vers ces moyens de refroidissement secondaire en vue d'évacuer la chaleur transmise de la bande (2) à le ou chaque rouleau d'appui.

6. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le ou chaque rouleau d'appui (14) est réalisé, au moins en périphérie, en élastomère, notamment en silicone vulcanisé.

7. Installation suivant la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que la matière dont est constitué au moins en périphérie le ou chaque rouleau d'appui (14), possède un coefficient de conductibilité thermique inférieur à 1 W/m.K.

8. Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que le diamètre du ou de chaque rouleau d'appui (14) est compris entre environ un quart et un dixième du diamètre du rouleau de refroidissement principal (10).

9. Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement secondaire comportent au moins un rouleau de refroidissement secondaire (16) mobile en rotation autour de son axe (X'-X') et disposé sensiblement parallèlement au(x) rouleau(x) d'appui (14).

10. Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'alimentation avec un fluide caloporteur, communs au rouleau de refroidissement principal (10) et aux moyens de refroidissement secondaire (16).

Dessins