Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02252923 1998-10-22
WO 97/49843 PCT/FR97101000
PROCEDE ET INSTALLATION DE REVETEMENT ELECTROLYTIQUE
PAR UNE COUCHE METALLIQUE DE LA SURFACE D'UN CYLINDRE
POUR COULEE CONTINUE DE BANDES METALLIQUES MINCES
L'invention concerne la coulée continue des métaux. Plus précisément, elle
concerne le conditionnement de la surface externe du ou des cylindres qui
constituent
la ou les parois mobiles des lingotières de coulée continue de bandes minces
de métaux
tels que l'acier.
Les lingotières des machines de coulée continue de bandes d'acier de quelques
1o mm d'épaisseur entre deux cylindres directement à partir de métal liquide
comportent
un espace de coulée défini par les surfaces latérales de deux cylindres
tournant en sens
contraires autour de leurs axes maintenus horizontaux et par deux plaques
latérales en
réfractaire plaquées contre les chants des cylindres. Ces cylindres ont un
diamètre
pouvant atteindre 1 X00 mm et une largeur qui, sur les installations
expérimentales
15 actuelles, est d'environ 600 à 800 mm. Mais, à terme, cette largeur devra
atteindre
1300 à 1500 mm pour satisfaire les impératifs de productivité d'une
installation
industrielle. Ces cylindres sont le plus souvent constitués par un noyau
d'acier autour
duquel est fixée une virole en cuivre ou alliage de cuivre, refroidie par une
circulation
d'eau entre le noyau et la virole ou interne à la virole.
?o Tout comme les surfaces des lingotières de coulée continue classique de
blooms, billettes ou brames, la surface de la virole qui est destinée à entrer
en contact
avec le métal liquide peut être revêtue d'une couche métallique, le plus
souvent de
nickel, dont l'épaisseur atteint en général 1 à 2 mm. Cette couche de nickel
permet
d'ajuster le coefficient de transfert thermique de la virole à une valeur
optimale (plus
z5 faible que si le métal était mis directement au contact du cuivre) pour que
la
solidification du métal s'effectue dans de bonnes conditions métallurgiques:
une
solidification trop rapide provoquerait des défauts à la surface du produit.
Cet
ajustement est effectué en jouant sur l'épaisseur et la structure de la couche
de nickel.
D'autre part, elle constitue pour le cuivre une couche protectrice qui lui
évite d'être
3o trop sollicité thermiquement et mécaniquement. Cette couche de nickel s'use
au fil de
l'utilisation du cylindre, et doit être restaurée périodiquement par
enlèvement partiel ou
complet de l'épaisseur subsistante puis dépôt d'une nouvelle couche, mais une
telle
restauration coûte évidemment moins cher qu'un remplacement complet d'une
virole en
cuivre nue usée.
35 Le dépôt de nickel est, de préférence, effectué par une voie
électrolytique, de
la façon suivante. La virole neuve (ou préalablement partiellement ou
totalement
dénickelée), qui se présente globalement sous la forme d'un cylindre creux en
cuivre ou
allia2e de cuivre tel qu'un alliage cuivre - chrome ( 1 %) - zirconium (0,1
°,'°), est montée
CA 02252923 1998-10-22
WO 97/49843 PCT/FR97/01000
sur un arbre, grâce auquel elle peut aisément être transportée d'un poste de
traitement à
l'autre dans l'atelier de nickelage/dénickelage. Après avoir subi différents
traitements
superficiels préparatoires (polissage, dégraissage, décapage acide...) visant
à améliorer
l'adhérence du nickel sur le cuivre, la virole est amenée à la station de
nickelage
électrolytique. Cette station est constituée par un bac contenant la solution
de
nickelage, au-dessus duquel on peut placer l'arbre en position horizontale et
le mettre .
en rotation autour de son axe. On fait ainsi tremper la partie inférieure de
la virole dans
le bac, et la mise en rotation de l'ensemble arbre-virole à une vitesse
d'environ 10 t/mn,
par exemple, permet de réaliser le traitement de l'ensemble de la virole. Lors
de
l'électrodéposition du nickel, la virole constitue la cathode, et l'anode peut
être
constituée par un ou plusieurs paniers anodiques en titane immergés dans le
bac, fermés
par de fines membranes, faisant face à la surface de la virole et contenant
des billes de
nickel. Si on désire également revêtir de nickel une fraction importante des
chants de la
virole (qui, lors de Ia coulée, frotteront contre les plaques latérales en
réfractaire et
sont donc susceptibles de s'user), on dispose d'autres paniers anodiques face
à ces
chants. D'autres types d'anodes (solubles ou insolubles) peuvent également
être utilisés.
En variante, on peut prévoir que la virole reste fixe et que ce soit
l'électrolyte
qui défile devant elle. L'essentiel est donc de créer un mouvement relatif
entre la virole
et l'électrolyte qui assure le renouvellement continu de leur interface.
2o Au cours des coulées, le dépôt de nickel subit d'intenses sollicitations,
tant
mécaniques que thermiques. Et on constate souvent au bout de quelques coulées
seulement l'apparition, au voisinage des rives des cylindres, de fissures dans
le dépôt de
nickel. Ces fissures concernent des zones de quelques cm de large à partir des
arètes de
la virole. Elles peuvent entraîner la formation de défauts sur la surface du
produit
coulé, puisqu'elles rendent son refroidissement hétérogène. Surtout, elles
constituent
des points faibles à partir desquels peut s'amorcer une dégradation très
rapide de
l'ensemble du dépôt de nickel. Il peut même y avoir propagation des fissures
au-delà du
dépôt de nickel, ce qui conduit à une dégradation de l'ensemble de la virole.
Elles
imposent donc un arrêt immédiat et prématuré de l'utilisation du cylindre et
la
3o régénération complète du revëtement de la virole. Comme cette opération est
loneue
(plusieurs jours), une application industrielle du procédé de coulée d'acier
entre
cylindres supposerait que l'on dispose d'un grand nombre de viroles prêtes à
l'emploi
pour assurer un fonctionnement régulier de la machine de coulée. La virole
étant une n
pièce très onéreuse, du fait des matériaux employés et de la difficulté de son
usinage,
cela conduirait à un coût d'utilisation élevé de l'installation.
Le but de l'invention est d'améliorer les performances de résistance aux
sollicitations thermo-mécaniques du revêtement métallique de la virole, en
retardant
autant que possible, voire en supprimant l'apparition des fissures en rives,
de manière à
CA 02252923 1998-10-22
PCTIFR97/01000
WO 97/49843
3
prolonger la durée moyenne d'utilisation de la virole entre deux réfections de
son
revêtement.
L'invention a pour objet un procédé de revêtement électrolytique par une
couche métallique de la surface de coulée d'un cylindre pour la coulée
continue de
bandes métalliques minces entre deux cylindres ou sur un cylindre unique,
selon lequel
on immerge au moins partiellement ladite surface de coulée dans une solution
d'électrolyte contenant un sel du métal à déposer, face à au moins une anode,
on place
ladite surface en cathode et on crée un mouvement relatif entre ladite surface
de coulée
et ladite solution d'électrolyte, caractérisé en ce qu'on interpose entre la
ou lesdites
lo anodes et les arètes de ladite surface de coulée des masques isolants
évitant une
concentration des lignes de courant sur lesdites arètes et dans leur
voisinage.
L'invention a également pour objet une installation de revêtement
électrolytique par une couche métallique de la surface de coulée d'un cylindre
pour la
coulée continue de bandes métalliques minces entre deux cylindres ou sur un
cylindre
unique, du type comprenant un bac contenant un électrolyte renfermant un sel
du métal
à déposer, des moyens pour immerger au moins partiellement dans ledit bac
ladite
surface de coulée et pour créer un mouvement relatif entre ladite surface de
coulée et
ledit électrolyte, au moins une anode disposée dans le bac face à ladite
surface de
coulée, et des moyens pour porter ladite surface de coulée à un potentiel
cathodique,
2o caractérisée en ce qu'elle comporte des masques en un matériau isolant
interposés entre
les arètes de ladite surface de coulée et ladite ou lesdites anodes, lesdits
masques
évitant une concentration des lignes de courant sur lesdites arètes.
Préférentiellement, lesdits masques ont une forme générale en arc de cercle
dont le centre de courbure est le mëme que celui de farète de la surface de
coulée à
laquelle ils font face, et présentent deux bords parallèles placés chacun dans
le
prolongement de ladite arète à une mëme distance "d" de celle-ci et reliés par
une
échancrure en forme de coin dont les côtés sont perpendiculaires l'un à
l'autre.
Comme on l'aura compris, (invention consiste à réaliser le dépôt
électrolytique
du revêtement métallique en disposant des masques isolants au voisinage des
rives des
3o viroles. Ces masques, dont un exemple préférentiel est décrit, visent à
obtenir une
répartition régulière des lignes de courant dans les zones de rives de la
virole. Cela
confère au dépôt une épaisseur uniforme dans ces zones, conforme à l'épaisseur
nominale désirée.
Les inventeurs ont constaté qu'il existait une corrélation entre la rapidité
de
l'apparition des fissures dans le revëtement de nickel au niveau des rives de
la virole et
la régularité de l'épaisseur de ce dépôt dans ces mëmes zones, en particulier
au droit
des arètes. En l'absence de tout dispositif particulier visant à empêcher ce
phénomène,
on constate au voisinage immédiat des arètes de la virole et au droit de ces
arètes elles
CA 02252923 1998-10-22
WO 97/49843 PCT/FR97/01000
mêmes des surépaisseurs dans le dépôt de nickel. Par exemple, si l'épaisseur
nominale
du dépôt est de 2 mm sur ia plus grande partie de la surface de la virole, on
constate
que cette épaisseur dépasse parfois 7 mm au droit des arètes. Ces
surépaisseurs sont
dues à des concentrations des lignes de courant au voisinage immédiat des
arètes.
Même si ces concentrations n'existent que sur une portion très limitée de la
virole, elles
apparaissent suffisantes pour provoquer l'apparition rapide des fissures dont
on a parlé.
En effet, il s'avère qu'elles rendent possible une formation d'hydrogène qui
peut créer
des inclusions gazeuses dans le dépôt en farmation. D'autre part, ces
concentrations
rendent inhomogène la structure cristalline du dépôt de nickel, donc sa dureté
et sa
lo texture, entre furète et le restant de la virole.
Un moyen de réduire cette surépaisseur du dépôt consiste à conférer un rayon
de courbure de quelques mm à furète, au lieu que celle-ci forme un angle vif.
Mais dans
la pratique, ce rayon ne peut excéder I à 2 mm, sinon on augmente exagérément
les
risques d'infiltration de métal liquide entre les chants des cylindres et les
plaques
latérales en réfractaire.
Un autre moyen connu consiste à dévier les lignes de courant au moyen de
dispositifs appelés "voleurs de courant". Ce sont des conducteurs métalliques
disposés
parallèlement aux arètes et dans leur voisinage, et parcourus par un courant.
Ils vont
dévier vers eux une partie des lignes de courant qui, en leur absence, se
concentreraient
2o sur furète de la virole et dans son voisinage. Mass cette solution utilisée
seule n'est pas
non plus satisfaisante. D'une part, les emplacements et les paramètres de
fonctionnement de ces voleurs de courant doivent être déterminés avec soin,
car sinon,
en plus de la surépaisseur qui peut subsister au droit de la rive, on peut
parfois
constater au contraire que la couche de nickel a pas endroits une épaisseur
inférieure à
la normale, signe que les lignes de courant ont été exagérément déviées des
zones
correspondantes. D'autre part, au fur et à mesure du déroulement de
l'électrodéposition, du nickel se dépose sur les voleurs de courant en
quantité non
négligeable. II faut donc récupérer ce nickel, et le courant qui a été dépensé
pour son
dépôt l'a été en pure perte. Mais surtout, ce dépôt de nickel fait varier les
dimensions
des voleurs de courant, qui plus est d'une manière très irrégulière. L'action
des voleurs
de courant varie donc très fortement au fur et à mesure du déroulement des
opérations,
ce quï rend leur gestion très difficile. Dans la pratique, pour une épaisseur
du dépôt
visée de 2 mm, on observe au mieux sur les arètes un dépôt d'une épaisseur de
2,5 mm,
ce qui est encore trop élevé pour résoudre de façon satisfaisante le problème
posé. Les
voleurs de courant ne peuvent donc permettre d'obtenir de manière fiable une
uniformité satisfaisante du dépôt de nickel pour cette application
particulière au
revêtement des cylindres de coulée continue.
CA 02252923 1998-10-22
WO 97/49843 PCT/FR97/01000
Les inventeurs ont constaté que la manière Ia plus fiablè d'obtenir un dépôt
de
nickel très homogène sur les arètes de la virole et dans leur voisinage
immédiat était de
disposer des masques isolants, préférentiellement d'une configuration
déterminée, à
faible distance des arètes, et que dans ces conditions, on parvenait à
supprimer les
apparitions précoces de fissures dans le revêtement des rives des viroles.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, qui
fait
référence aux figures suivantes:
- la figure 1 qui montre schématiquement vue de profil en coupe transversale
selon I-I une installation de revêtement d'une virole de cylindre pour coulée
entre
1o cylindres adaptée à la mise en oeuvre du procédé selon (invention;
- la figure 2 qui montre une vue en coupe selon II-II de cette mëme
installation, explicitant Ia configuration préférentielle des masques selon
l'invention;
La figure 1 représente en coupe transversale une installation selon
l'invention,
le plan de coupe étant situé à l'intérieur du bac 1 contenant la solution
d'électrolyte 2
dont le composant principal est un sel de nickel, mais en avant de la virole
en cuivre 3
placée en cathode et des deux anodes 4, 4' disposées dans le fond du bac 1. La
virole 3,
de forme extérieure cylindrique et d'un diamètre extérieur de 1 S00 mm, est
montée sur
un arbre 5 dont l'axe 6, au cours de l'opération d'électrodéposition, est mis
en rotation
par des moyens non représentés. Au moins la partie inférieure de la virole 3
trempe
2o dans la solution d'électrolyte 2. Dans l'exemple représenté, les anodes 4,
4' sont des
anodes solubles constituées par des paniers anodiques en titane de forme
courbe,
remplis de granulés de nickel. Ce n'est toutefois Qu'un exemple de mise en
oeuvre, et on
pourrait prévoir un nombre d'anodes différent, ainsi qu'une autre
configuration (anode
insoluble par exemple). Les anodes 4, 4' s'étendent en amère du plan de coupe
sur une
largeur supérieure à celle de la virole 3. Face aux rives de la virole 3 sont
disposés des
masques 7, T (7 étant seul visible sur la figure 1 ) en un matériau isolant
tel qu'un
polymère, dont la fonction est d'empêcher les lignes de courant issues des
anodes 4, 4'
de parvenir directement aux rives et aux arètes de la virole 3, afin d'éviter
les
surépaisseurs du dépôt de nickel à leur niveau. Les positions de ces masques
7, T par
3o rapport à la virole 3 peuvent ëtre réglées par des moyens de positionnement
symbolisés
par des tiges mobiles 8.
La configuration précise de ces masques 7, T est mise en évidence sur la
figure 2. Ils se présentent dans l'exemple représenté sous la forme de boudins
de
section sensiblement carrée ou rectangulaire, ayant la forme générale d'un arc
de cercle
dont le centre de courbure est le même que celui de l'arète de la virole 3 à
laquelle ils
font face. Leur bord supérieur le plus proche de la rive où s'exerce leur
action présente
une échancrure 9, 9' en forme de coin dont les deux bords 10, 10' sont
perpendiculaires
et de longueurs sensiblement égales, de l'ordre par exemple de ~ mm. Les
masques 7, 7'
CA 02252923 1998-10-22
WO 97/49843 PCT/FR97/01000
6
sont disposés au moyen des tiges 8 de telle manière que les bords externes 1
I, 11' des
échancrures 9, 9' soient placés chacun sensiblemem à une méme distance "d" de
l'arète
12 de la virole 3 face à laquelle ils sont disposés. Cette distance "d" est,
initialement, de
l'ordre de S mm lorsqu'on désire réaliser un dépôt de nickel de 2 à 3 mm
d'épaisseur.
D'autre part, les côtés I3, 13' de chaque masque 7, T qui sont
perpendiculaires à la
virole 3 doivent dans cet exemple de mise en oeuvre de l'invention, avoir une
longueur
minimale de SO mm. C'est à ces conditions que les masques 7, T peuvent
suffisamment
dévier les lignes de courant pour homogénéiser au mieux leur distribution sur
les rives
de la virole 3.
1o Optionnellement, on peut prévoir la possibilité d'éloigner progressivement
les
masques 7, T de la virole 3 au fur et à mesure de Ia croissance de l'épaisseur
du dépôt
de nickel. Cet éloignement peut être réalisë par étapes successives ou de
manière
continue. On peut ainsi s'assurer qu'il restera toujours assez d'espace entre
le masque et
le dépôt pour permettre la croissance du dépôt de nickel.
En fonction de la configuration exacte des anodes 4, 4' et des masques 7, T,
le
revêtement des chants de la virole 3 s'effectuera d'une façon homogène sur une
plus ou
moins grande portion de leur surface. Pour augmenter cette portion, on peut,
comme
dans l'art antérieur auquel on a fait allusion, disposer dans le bac I des
anodes
verticales 21, 2 I', 21 ", telles que des paniers anodiques remplis de
granulés de nickel,
zo similaires aux paniers anodiques 4, 4' et faisant face aux chants de la
virole 3.
Il est clair que les masques peuvent être constitués différemment de ceux qui
viennent d'être donnés en exemple, dans la mesure où ils permettent d'obtenir
l'homogénéité souhaitée pour l'épaisseur du dépôt. En particulier, au lieu
d'être
constitués par des boudins de section carrée, rectangulaire ou autre, ils
peuvent
consister en une plaque ou un assemblage de plaques, dont la surface tournée
vers la
virole aurait préférentiellement la même configuration que celle des boudins
de
l'exemple. Autrement dit, cette surface doit préférentiellement comporter deux
bords
parallèles placés chacun dans le prolongement de l'arète de la virole à une
même
distance "d" de celle-ci et reliés par une échancrure en forme de coin dont
les côtés
3o sont perpendiculaires l'un à l'autre.
L'invention n'exclut pas que, pour compléter et affiner encore Yaction des
masques, on ait également recours à des voleurs de courant, intégrés aux
masques ou
indépendants de ceux-ci, de manière permanente ou intermittente.
Bien entendu, l'invention peut être appliquée au dépôt d'autres métaux que le
nickel sur la virole. De même, le cylindre ainsi revêtu peut être utilisé non
seulement
sur une machine de coulée continue de bandes métalliques (en acier ou en un
autre
matériau) minces entre deux cylindres, mais aussi sur une machine de coulée
continue
de bandes minces où un cylindre tournant unique vient lécher la surface d'un
bain
CA 02252923 1998-10-22
WO 97/49843 PCT/FR97/01000
7
métallique (coulée sur un cylindre). D'autre part, elle peut aussi s'appliquer
au cas du
revëtement de la surface de coulée d'un cylindre massif où la virole et le
noyau ne
constitueraient qu'une seule et même pièce. Il est également aisé de la
transposer à un
cas où la virole ou le cylindre massif pourrait être totalement immergé dans
le bain
d'électrolyte. Enfin, comme on l'a dit, on peut créer le mouvement relatif
entre la virole
et l'électrolyte en maintenant la virole fixe et en mettant en mouvement
(électrolyte
autour d'elle. Cela peut être fait, en particulier, si la virole est plongée
entièrement dans
l'électrolyte et si on crée les mouvements de (électrolyte par des jets
convenablement
orientés pour le faire circuler autour de la virole entre la ou les anodes.
