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~a présente invention a pour objet une machine pour le
refroidissement d'un fil métallique.
Elle relave du secteur de la fabrication des fils
métalliques.
Un fil métallique, sortant dlune filière ou d'un
laminoir, se trouve à une température généralement élevée. Un
refroidissement portant sur plusieurs centaines de degrés doit
s'effectuer sur une courte distance, ce refroidissement pou~ant,
ou non, correspondre à une opération de trempe.
Il est connu de réaliser ce refroidissement en faisant
passer le fil dans l'axe dlun tube parcouru le plus souvent à
oontre-courant, par un fluide de refroidissement. On obtient
cependant, le plus souvent, un flux thermique tout à fait
~nsuffisant.
~e flux à réaliser~ toujours de llordre de plusieurs
mégawatts par mètre carré, est fonction du diamètre et de la
vitesse de défilement du fil, ainsi que de la vitesse de refroi-
dissement désirée.
~ Par exemple, pour refroidir de 200C sur un mètre, un
fil d'aluminium de 7,5 mm de diamètre défilant à 10 m/s, il faut
réaliser une densité de flux thermique moyenne de 10 mégawatts
PaX mètre carré. Pour un fil de 9~5 mm de diam~tre défilant
5 m/s~ il faut une dèn~lt~ de flu~ d~ 6,5 mégawatts par mètre
carré.
~'objet de l'invention est une machine pour le refroi-
di8sement d'un fil métallique qui répond à ces desiderata.
~a machine selon l'invention comprend un tube de
re~roidissement, un dispositif dlinjection du fluide de refroi-
dissement et un dispositif de sortie du jet de fluide de
3 refroidissement quittant le tube. ~e dispositif d'injection
comprend, placée en avant du tube de refroidissement, une fente
_1_ ' ' ' ~
10~ 4Z
annulaire oblique, dirigée dans le sens du mouvement du fluide et
alimentée en fluide de refroidissement sous pression élevée,
et au moins un injecteur de fluide de refroidissement sous
~aible pression, placé en avant de la fente annulaire ~e
~dispositif de sortie assure la déviation du jet de ~luide de
refroidissement il est constitué par un coude ouvert qui
prolonge le tube de refroidissement.
De préférence, ce coude est prolongé par un second
coude de courbure in~erse et de rayon de courbure plus faible,
dont le bord intérieur est ouvert, ce coude se terminant dans
une direction normale à celle du fil métallique.
~'invention ainsi définie est expliquée à partir
d'un exemple illustré par les figures ci-jointes. Cet exemple
cependant ne vient pas limiter la portée de l'invention.
~a figure 1 est un schéma de l'ensemble de la machine.
~a figure 2 représente, en coupe, le dispositif
d'injection du fluide de refroidissement.
~es figures 3 et 4 représentent le dispositif de
d~viation du jet du fluide de refroidissement:la figure 3 est
une élévation, la figure 4 une ~ue en plan.
Sur ces figures, les mêmes éléments sont représentés
par les mêmes repères.
Dans la machine dont le prin¢ipe est illustr~ par
la figure 1, le fil (1) défile en continu. Il doit, le cas
~chéant, en cas de rupture, pouvoir se réintroduire de lui-même.
Il tra~erse donc la machine de refroidissement tout en restant
reotiligne et sans qu'il ait la possibilité de rencontrer un
obs~tacle solide
Cette machine comprend trois parties: un tube de
refroidissement (2), un dispositif d'injection (~) du fluide de
refroidissement et un dispositif (4) de sortie du fluide de
refroidissemen~, assurant la d~iation du jet de ce fluide
: :
~0~ ~ 3 ~ Z
sortant du tuhe.
Le tube de re~roidissement (2) est rectiligne, le
fluide de refroidissement, en général de l~eau, y circule
en co-courant, c~est-~-dire dans le sens de défilement du fil
(1), ou ~ contre-oourant, c~est-~-dire en ~ens contraire.
C~est dans ce tube que s'opère l'essentiel du refroidissement.
~ orsque la température super~icielle du fil est
supérieure ~ environ 200C, il se forme un film de vapeur entre
lui et l'eau. ~e flux thermique de refroidissement est, en
première approximation, inversement proportionnel à l~épaisseur
de ce film. Cette dernière est fonction de la vitesse relative
du fluide de re~roidissement par rapport au fil, de la tempéra-
ture de ce fluide et de la distance du point considéré au point
d'injection du fluide. ~a densité du flux de chaleur évacuée
est très grande au niveau du point d~injection et va en décrois-
sant le long du fil.
~ orsque la température superficielle du fil descend
au-dessous de 200 et que le fluide de refroidissement est
¢onstitué par de lleau, cette derniare mouille le fil. ~a densité
de flux de refroidissement est plus importante que précédemment
et la température superficielle du fi'l descend rapidement à une
valeur proche de celle de l~eau.
ha vites~e du fluide de refroidissement est cal¢ulée
en supposant que le refroidissement du fil est uniquement du pre-
mier type. ~a vitesse théorique de l~eau dans le tube (2) est
alors fonction de la densité moyenne du flux thermique à extraire,
de la température de l~eau,de la longueur du tube (2), des
diamètres du tube et du fil, de la vitesse du fil et de son sens
de défilement.
A titre d~exemple, pour refroidir de 200~ un fil
d~aluminium de 7,5 mm de diamètre circulant ~ 10 m/s dans un
tube d~un diamètre de 25 mm et de 750 mm de long avec de l'eau
..
.. ..
. -; . - . - . .
-103~ ~ 42
à 30C, la vitesse relati~e théorique de lleau par rapport
au fil est de 22 m/s. - -
Pour un fil de 7,5 mm de diam~tre circulant ~ 5 m/s,
la vitesse relative théorique est de 13,5 m/s.
A ces vitesses,il convient bien entendu d'ajouter
ou de retrancher celle du fil, selon que ce dernier circule
~ contre-courant ou à co-courant, pour avoir la vitesse absolue
de l'eau dans le tube.
- Dans la réalité, dans le ca~ d'un écoulement co-courant,
la vitesse de l'eau peut e~tre plus faible que la valeur théorique
calculée selon les indications précédentes, car les très fortes
densité~ de flux du point d'injection ont lieu aux endroits
où le fil est le plu5 chaud.
~e diamètre du tube (2) est tel que le fil (1) puisse
le traverser le plus librement possible et que la section de
passage pour le fluide de refroidissement soit suffisante. A
titre d'exemple, pour des fils d'un diamètre compris entre 5
et 12 mm, un tube d'un diamètre intérieur de 25 mm convient.
~e dispositif (3) d'injection du fluide de refroidisse-
ment est représenté par la figure 2. Il comprend, en avant du tube
de refroidissement (2),une fente annulaire oblique (5) dirigée
dans le sens de déplacement du fluide et dont la section débitante
est inférieure ~ la section du tube (2). Cette fente (5) est
al$mentée par un anneau d'alimentation (6) relié à un ou plusieurs
conduits (7) eux-memes reliés à une source de fluide de refroi-
dissement à haute pression. ~'eau, pour remplir le tube, doit
ralentir, ce qui lui permet de récupérer une partie de sa pre$sion
dynam$que sous forme de pression statique destinée à ~aincre la
résistance à l'écoulement du tube. Ce dispositif d'injection se
comporte comme une trompe réglée de façon qu'il n'y ait pas
aspiration, ou même qu'il y ait refoulement. ~'épaisseur de la
fente (5) et la pression d'alimentation sont fonction de la
- 4-
!
. .
~, . . --
` ~ 3~ ~ 4 Z
vitesse ~ réaliser dans le tube et de la résistance à 1'écoule-
ment de ce dernier. A titre d'exemple, pour mainten~r une
vitesse de 30 m/s dans un tube de 25 mm de diamètre et de 1 m
de long, il ~aut une fente large de 3 mm environ et une pression
d'alimentation en eau de 10 bars.
Afin d'ëviter l'aspiration d'air au niveau de la fente
(5) et de supprimer toute projection de fluide vers l'arrière,
on injecte, en arrière de la fente, du fluide de refroidissement
~ basse vitesse. A cet effet, on prévoit, à l'arrière de la
fente t5), des injecteurs (8) de n uide montés dans un espace
annulaire (9) limité p;ar une lèvre annulaire (10) ne venant pas
au contact du fil (1). Cet espace (9) est relié à une tubulure
(11) d'évacuation du trop plein de fluide. Ce dernier s'écoule
ainsi vers l'arrière et peut être récupéré fa¢ilement par la
tubulure (11).
~e dispositif (4) de déviation du jet (figures 3 et
4) est constitué par un coude ouvert (12) qui prolonge le tube de
refroidissement (2). ~e bord extérieur de ce ¢oude est ouvert
en (13)~ quelques ¢entimètres après son début, de facon à amorcer
....
la déviation du fluide de refroidissement et à laisser le passa-
ge libre pour le fil (1).
~a plu9 grande partie, environ les 2/3, du ~et i8SU
du tube (2) reste collée sur le bord interne du coude (12) et
e~t déviée normalement. De préféren¢e le rayon de ¢ourbure de
ce coude est tel que le rapport entre ¢e rayon de ¢ourbure
et le diamètre du tube soit au moins éga~ à 10 et que la diffé-
rence de pression statique entre le bord extérieur (14) et le
bord intérieur (15) du ¢oude soit au plus égal à 0,5 bar. Par
exemple, pour un tube de 25 mm de diamètre et une vitesse d'eau
de 30 m/s, le rayon de courbure du coude est d'au moins 400 mm/
il y a risque de dé¢ollement pour des rayons plus faibles. I,e
rayon de ¢intrage doit être oonstant sur toute la longueur du
.
~03~ Z
coude (12).
Cependant, une partie du volume du fluide de refroidis-
sement, environ 1/3 dans l~exemple précédent relatif à l~eau,
continue ~ suivre le fil. Afin d'intercepter ce ~luide, on pro-
longe le coude (12) par un deuxième coude (16) de courbure
inverse et de rayon de courbure beaucoup plus faible que celui
du premier,de préférence environ le quart,et dont le bord interne
est ouvert. Ce deuxième coude (16) redévie en sens inverse le
jet de fluide dévié par le premier coude afin de le rendre normal
au fil, ce qui lui permet dtintercepter le fluide qui continuait
suivre le fil. ~extrémité (17) du deuxième coude est nettement
en dehors de l~axe (18) du fil, si bien que le dispositif de
déviation n~oppose aucun obstacle au passage de ce dernier. Afin
dté~iter les projections latérales de fluide et dtaméliorer
l~interception du fluide non dévié, il est avantageux de munir
les deux coudes de parois latérales disposées sur les flancs du
dispositif et constituées par deux plaques de protection dont
les dimensions sont légèrement supérieures à celles de l'ensemble
constitué par le fil (1) et le tube (2).
~ensemblè des deux coudes (12) et (16) est enfermé
dans un carter 19 soudé sur le tube (2) et muni d~une tubulure
(20) de sortie du fluide.
~invention s~applique au re~roidissement, a~ec ou sans
trempe, d~un fil m~tallique ohaud.
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