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"Procédé de galvanisation d'une barode métallique"
L'invention est relative à un procédé de galvanisation d'une
pièce métallique (bande, tôle...) dans une ligne de galvanisation en continu,
la ligne de galvanisation comprenant, disposés en série et reliés les uns aux
autres par des conduits pour former une gaine de circulation d'une
atmosphère réductrice le plus souvent essentiellement composée d'un gaz
inerte tel l'azote ou l'argon, et d'hydrogène, un four de préchauffage, un
four
de recuit, un poste de refroidissement et un poste de trempe de ladite pièce
métallique dans un bain de zinc liquide ou d'un alliage de zinc, dans lequel,
avant de plonger la pièce métallique dans le bain liquide, on l'expose à
1 o cette atmosphère réductrice pour éliminer des oxydes présents sur la
surface de la pièce métallique.
On parlera dans la description qui suit de « bande » métallique
pour fixer les esprits, ainsi que indifféremment de bain de zinc liquide ou
d'un alliage de zinc liquide, sans que l'appellation choisie puisse être
considérée comme restrictive. On sait en effet que l'industrie utilise des
alliages extrêmement variés, notamment dans leur teneur en zinc et/ou en
aluminium.
Généralement donc, une ligne de galvanisation en continu
comprend au moins quatre zones de traitement de la bande métallique à
galvaniser : une zone de préchauffage, une zone de recuit, une zone de
refroidissement et une zone de trempe comprenant un bain de zinc dans
lequel est plongée la bande métallique à galvaniser.
On connaît des lignes de galvanisation dans lesquelles la zone
de préchauffage comprend un four équipé de brûleurs à flamme nue servant
d'une part à réchauffer rapidement la bande métallique à traiter à une
température typiquement comprise entre 400° C et 700° C, et
d'autre part à
soumettre à une pyrolyse les huiles de laminage présentes sur la surface de
la bande.
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Pour prévenir une oxydation de la bande métallique ainsi traitée,
on fait fonctionner les brûleurs en défaut d'air pour assurer une atmosphère
non oxydante vis-à-vis du fer.
Pour pouvoir assurer une bonne galvanisation c'est à dire
notamment une bonne adhérence entre couche et bande métallique, il est
indispensable d'éliminer toute couche d'oxyde en surface avant de plonger
la bande métallique dans le bain de zinc. Ceci est réalisé en exposant la
bande métallique dans le four de recuit à une atmosphère réductrice
constituée le plus souvent d'un mélange d'azote et d'hydrogène, la teneur
en hydrogène étant en général comprise entre 15% et 40%.
A cet effet, les différentes zones de traitement de la ligne de
galvanisation sont reliées les unes aux autres par des conduits pour former
une gaine de circulation de l'atmosphère réductrice.
Pour régénérer constamment cette atmosphère réductrice dans
cette gaine et conserver ainsi son caractère réducteur, le mélange d'azote
et d'hydrogène est injecté dans un conduit également appelé trompe ou
cloche dont une extrémité plonge dans le bain de zinc et dont l'autre
extrémité est raccordée à l'extrémité de sortie du poste de refroidissement,
de sorte que l'atmosphère réductrice circule en sens opposé au sens de
2 o défilement de la bande métallique à traiter.
A l'heure actuelle, pour une ligne de galvanisation donnée, le
débit du mélange d'azote et d'hydrogène et la teneur en hydrogène de ce
mélange sont maintenus à un même niveau, indépendamment des
caractéristiques et de la vitesse de défilement des bandes métalliques à
2 5 traiter.
En pratique, pour permettre aussi bien le traitement de bandes
métalliques de grande largeur que celles présentant une petite largeur, pour
accommoder tant les faibles vitesses de défilement que les vitesses
élevées, le débit du mélange d'azote et d'hydrogène et la teneur en
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hydrogéne de ce mélange sont fixés à un niveau élevé de façon à permettre
le traitement même des cas les plus défavorables, c'est-à-dire les bandes
métalliques de grandes dimensions surfaciques et/ou traitées à des vitesses
élevées. Mais on le conçoit, cet excès de qualité que représente un
mélange riche en hydrogène injecté à un débit élevé entraîne un coût non
négligeable pour cette atmosphère réductrice. D'autre part les conditions
d'injection d'atmosphère étant fixées, alors que la surface a traiter par
unité
de temps peut varier, la production de vapeur d'eau dans l'enceinte du fait
de la réduction des oxydes va bel et bien faire varier le caractère réducteur
1o de l'atmosphère et donc entraîner des variations de qualité du produit
final.
L'invention vise à proposer un procédé permettant d'optimiser
l'utilisation de l'atmosphère réductrice en vue de réduire le coût engendré
par celle-ci dans l'exploitation de la ligne de galvanisation ainsi que mieux
maintenir le niveau de qualité des produits qui sortent de la ligne.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de galvanisation
d'une bande métallique dans une ligne de galvanisation en continu, la ligne
de galvanisation comprenant, disposés en série et reliés les uns aux autres
par des conduits pour former une gaine continue de circulation d'une
atmosphère réductrice comportant un gaz inerte et de l'hydrogène, un four
2 o de préchauffage, un four de recuit, un poste de refroidissement et un
poste
de trempe de ladite bande métallique dans un bain de zinc liquide ou d'un
alliage de zinc liquide, dans lequel, avant de plonger la bande métallique
dans le bain, on l'expose à cette atmosphère réductrice pour éliminer des
oxydes présents sur sa surface, caractérisé en ce que pour renouveler
l'atmosphère réductrice dans ladite gaine, on y injecte le gaz inerte et
l'hydrogène en réglant le débit d'hydrogène en fonction de la quantité de
surface de bande métallique à traiter par unité de temps.
Le procédé selon l'invention peut de plus comporter une ou
plusieurs des caractéristiques suivantes
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- on détermine la quantité de surface de bande métallique à
traiter par unité de temps à partir de la largeur de la bande métallique à
traiter et à partir de la vitesse de défilement de celle-ci dans la ligne de
galvanisation ;
- on maintient, en au moins un point de ladite gaine, le rapport
entre la concentration d'hydrogène et la concentration en vapeur d'eau de
l'atmosphère , sensiblement à un niveau prédéfini ;
- on maintient ledit rapport à un niveau prédéfini en au moins un
point du four de recuit ;
- on injecte le gaz inerte au niveau d'un premier emplacement
dans ladite gaine, et de l'hydrogène ou bien un mélange gaz
inerte/hydrogène au niveau d'un second emplacement distant du premier
emplacement et plus éloigné du bain liquide dudit poste de trempe ;
- on injecte le gaz inerte, et l'hydrogène ou le mélange gaz
inerte/hydrogène, dans le conduit de raccordement dudit poste de
refroidissement audit poste de trempe ;
- on fixe le débit de gaz inerte injecté dans la gaine au niveau du
premier emplacement, et on règle le débit d'hydrogène ou de mélange gaz
inerte/hydrogène injecté au niveau du second emplacement, en fonction
2 o d'une valeur de consigne de teneur en vapeur d'eau au niveau d'un point du
four de recuit ;
- on fixe le débit de gaz inerte injecté dans la gaine au niveau du
premier emplacement, et on règle le débit d'hydrogène ou de mélange gaz
inertelhydrogène injecté au niveau du second emplacement, de façon à
effectuer ledit maintient en au moins un point du four de recuit dudit rapport
entre la concentration d'hydrogène et la concentration en vapeur d'eau de
l'atmosphère sensiblement audit niveau prédéfini ;
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- on règle le débit de gaz inerte injecté dans la gaine au niveau
du premier emplacement, en fonction d'une valeur de consigne de teneur en
vapeur d'eau au niveau d'un point du four de recuit ;
- on règle le débit de gaz inerte injecté dans la gaine au niveau
5 du premier emplacement, de façon à effectuer ledit maintient en au moins
un point du four de recuit dudit rapport entre la concentration d'hydrogène
et la concentration en vapeur d'eau de l'atmosphère sensiblement audit
niveau prédéfini ;
- on injecte le gaz inerte dans la gaine au niveau du premier
emplacement à débit sensiblerr~nt constant, et on injecte en outre du gaz
inerte dans le four de recuit, le débit de gaz inerte injecté dans le four de
recuit étant réglé en fonction d'une valeur de consigne de teneur en vapeur
d'eau au niveau d'un point du four de recuit ;
- on injecte le gaz inerte dans la gaine au niveau du premier
emplacement à débit sensiblement constant, et on injecte en outre du gaz
inerte dans le four de recuit, le débit de gaz inerte injecté dans le four de
recuit étant réglé de façon à effectuer ledit maintient en au moins un point
du four de recuit, dudit rapport entre la concentration d'hydrogène et la
concentration en vapeur d'eau de l'atmosphère sensiblement audit niveau
2 o prédéfini.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
de la description suivante, donnée à titre d'exemple, sans caractère
limitatif,
en regard des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une représentation schématique d'une ligne de
galvanisation en continu fonctionnant selon un procédé conforme à
l'invention ;
- la figure 2 montre une courbe représentant l'évolution du
logarithme du rapport de la teneur en vapeur d'eau sur la teneur en
hydrogène de l'atmosphère en un point du four de recuit, en fonction de la
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surface de bande métallique traitée, ceci pour un réglage d'atmosphère
donné.
Sur la figure 1 est représentée de façon schématique une ligne
1 de galvanisation d'une bande métallique 3, par exemple en acier.
La ligne de galvanisation 1 comprend, disposés en série, un
four 5 de préchauffage, un four 7 de recuit, un poste 9 de refroidissement et
un poste 11 de trempe comprenant un bain 13 de zinc liquide ou d'alliage
liquide.
Le four 5 de préchauffage est par exemple équipé de brûleurs
15 à flamrr>e nue servant d'une part à réchauffer rapidement la bande
métallique 3 à traiter, à une température typiquement comprise entre
400° C
et 700° C, et d'autre part à soumettre à une pyrolyse les huiles de
laminage
présentes sur la surface de la bande.
Le four 7 de recuit est par exemple équipé de résistances
électriques ou de tubes radiants schématisés en 8.
Le poste 9 de refroidissement sert à refroidir la bande
métallique 3 en sortie du four 7 de recuit, à une valeur par exemple proche
de 470°C.
Par ailleurs, le four 5 de préchauffage, le four 7 de recuit, le
2 0 poste 9 de refroidissement et le poste 11 de trempe, qui ont chacun une
forme de tunnel, sont reliés les uns aux autres par des conduits 17, 19 et 21
pour former avec ceux-ci une gaine continue 23 de circulation d'une
atmosphère réductrice essentiellement composée d'azote et d'hydrogène.
De plus, le conduit 21 reliant l'extrémité de sortie du poste 9 de
2 5 refroidissement au poste 11 de trempe est incliné vers 1e bas et plonge
avec
son extrémité 25 dans le bain liquide 13. Ce conduit 21 est souvent appelé
trompe ou cloche.
En outre, la ligne de galvanisation 1 comprend selon l'invention,
d'une part, un injecteur 30 d'un gaz inerte, par exemple d'azote, disposé
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dans la paroi de la trompe 21 au niveau d'un premier emplacement 30A
situé au voisinage de l'extrémité 25 de la trompe plongée dans le bain
liquide 13, au dessus de celui-ci, et d'autre part, un injecteur d'hydrogène
31 (ou d'un mélange d'hydrogène et d'un gaz inerte) disposé dans la paroi
de la trompe 21 au niveau d'un second emplacement 31A situé au voisinage
de l'extrémité 33 de celle-ci qui est raccordée au poste 9 de
refroidissement.
Cette disposition avantageuse où l'azote est injecté au niveau
du premier emplacement 30A qui se trouve à proximité de l'extrémité 25 de
l0 la trompe 21 plongée dans le bain de liquide 13, permet dans la partie
inférieure de la trompe 21 de former un tampon qui empêche l'hydrogène
injecté à distance au niveau de l'emplacement 31A de se dissoudre dans le
bain de zinc liquide 13.
Comme on peut le constater à la lecture de la figure, l'injecteur
30 est relié à un conduit d'alimentation 32 dans lequel est disposé un
organe 34 de régulation de débit et l'injecteur 31 est relié à un conduit
d'alimentation 36 dans lequel est disposé un organe 38 de régulation de
débit.
En outre, la ligne 1 comprend des moyens 40 de détermination
et de réglage de la vitesse de défilement de la bande métallique 3.
Par ailleurs, une prise d'échantillon de gaz 42 à l'intérieur du
four de recuit, par exemple en milieu de four ou encore dans te dernier 1/3
du four, permet de renvoyer des prélèvements d'atmosphère à des fins
d'analyse, par exemple comme représenté sur la figure vers un analyseur
2 5 47 de la teneur en hydrogène du prélèvement, et vers un analyseur 46 de la
teneur en vapeur d'eau du prélèvement.
Bien entendu, en lieu et place de cette analyse ex-situ, on
pourrait également sans sortir du cadre de la présente invention, utiliser
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une sonde à oxygène dans le four, sonde qui délivre un potentiel corrélé au
rapport H21H20.
Les moyens 40, ainsi que les analyseurs 46 et 47, sont reliés à
une unité 50 de traitement de données (par exemple un automate
programmable), unité apte à son tour à commander le fonctionnement des
deux régulateurs de débit 34 et 38.
Lors de son traitement, la bande métallique 3 guidée par des
rouleaux 27 passe successivement dans le four 5 de préchauffage pour être
amenée à une température située ici entre 400°C et 700°C, puis
dans le
1 o four 7 de recuit pour assurer ses caractéristiques métallurgiques, dans le
poste 9 de refroidissement pour être amenée à une température proche de
470°C et enfin dans le poste 11 de trempe afin d'être recouverte de
zinc.
En rr>ëme temps, l'unité 50 relève comme décrit précédemment,
la vitesse de défilement de la bande métallique 3, le point de rosée ainsi
que la teneur en hydrogène de l'atmosphère en au moins un point (42) du
four 7 de recuit, et commande par l'intermédiaire des régulateurs 34 et 38
les débits d'azote et/ou d'hydrogène injectés dans la trompe 21, en
conformité avec l'un des modes de mise en oeuvre de l'invention décrits
plus haut dans la présente description.
2 o L'unité 50 règle ces débits d'azote et d'hydrogène en fonction de
la quantité de surface de la bande métallique à traiter par unité de temps.
Avantageusement, pour déterminer la quantité de surface de la
bande métallique à traiter par unité de temps, on prend en compte la vitesse
de défilement de la bande dans la ligne fournie par les moyens 40, et la
2 5 largeur de la bande 3.
Afin d'illustrer plus clairement cette notion de réglage des débits
en fonction de la quantité de surface de la bande métallique à traiter par
unité de temps (facteur que l'on évalue en ne considérant qu'une face de la
bande), considérons la courbe présentée figure 2, qui a été obtenue pour
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un acier donné ayant une application dans l'industrie du bâtiment, dans les
conditions suivantes
- injection en 30A : de l'azote d'origine cryogénique, à un débit
de 50 Nm3/h ; injection en 31A : de l'ammoniac craqué, à un débit de 70
Nm3lh (de telles conditions donnent donc globalement un débit de
mélange de 120 Nm3/h , un débit d'hydrogène de 52,5 Nm3/h , et une
concentration d'hydrogène dans le mélange de 43,8%) ;
- le point de prélèvement d'atmosphère (42) était situé à environ
1 m de la fin du four de recuit (en considérant le sens de déplacement de la
1 o bande) ;
- la vitesse de la ligne était comprise entre 25 et 80 m/min, pour
une largeur de bande toujours comprise dans l'intervalle allant de 1 m à
1,20m.
On voit bien alors sur cette figure l'augmentation du rapport
H20/H2 dans le four de recuit lorsque la surface traitée par unité de temps
(S/t) croit, signe d'une production croissante de vapeur d'eau. On constate
donc qu'il est possible sur cette courbe de définir pour cette ligne de
galvanisation et ce réglage moyen de gaz qui a été mis en oeuvre, deux
grands domaines de surface traitée par unité de temps : un domaine où S/t
2 o est inférieur à environ 50m2/min, et un domaine où Slt est compris entre
environ 50m2/min et 90m2/min.
II apparaît alors avantageux pour des conditions de production
correspondant au premier domaine, de diminuer le débit d'hydrogène injecté
en 31 et/ou la teneur en hydrogène du mélange, en se permettant ainsi de
dégrader légèrement le rapport H20/H2 en ramenant le point de rosée de
l'atmosphère autour de -15°C, alors que pour des conditions de
production
correspondant au second domaine, il serait avantageux d'améliorer le point
de rosée de l'atmosphère (diminution du rapport H20/H2 ) en augmentant le
débit d'hydrogène injecté en 31 et/ou la teneur en hydrogène du mélange,
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et permettre ainsi au point de rosée de l'atmosphère de descendre au
voisinage de -15 à -20°C, compte tenu de l'acier traité sur cette
ligne.
On peut alors proposer pour chacun des domaines les
conditions suivantes
5 - pour le domaine où S/t est inférieur à environ 50m2/min : un
débit de mélange N2/H2 de 130 Nm3/h , pour un débit d'hydrogène de 27
Nm3/h , et une concentration d'hydrogène dans le mélange de 20,7% ;
- pour le domaine où S/t est compris entre environ 50m2/min et
90m2/min : un débit de mélange N2/H2 de 150 Nm3/h , pour un débit
l0 d'hydrogène de 48,5 Nm3/h , et une concentration d'hydrogène dans le
mélange de 32,3% .
L'ensemble permettant de maintenir constant le débit
d'hydrogène rapporté à S/t, à une valeur voisine de 0,009 m3 d'hydrogène
par m2 de bande.
La figure 2 illustre donc un exemple d'abaques qu'il est possible
de réaliser sur une ligne donnée, pour un ou plusieurs aciers traité(s), en
adoptant un réglage de gaz moyen, et en balayant une gamme typique de
variation de la surface traitée par unité de temps (qui tient compte de la
gamme de vitesse de ligne habituellement pratiquée, et de la gamme de
largeurs de produits traités sur la ligne considérée), la lecture de ces
abaques permettant de déterminer les modifications des réglages
d'alimentation en gaz qu'il est avantageux d'adopter dans chaque cas.
On a décrit dans ce qui précède un mode de réalisation où le
débit d'azote injecté par l'intermédiaire de l'injecteur 30 est maintenu
2 5 constant lors du fonctionnement de la ligne de galvanisation et seul le
débit
d'hydrogène en 31 est réglé et modifié en fonction de la quantité de surface
de bande métallique à traiter.
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Mais on conçoit que selon le cas considéré (amélioration ou
dégradation du point de rosée de l'atmosphère), l'on puisse également ou
en remplacement agir sur l'injection de gaz inerte au point 30A .
Selon une autre variante du procédé selon l'invention, on réalise
un zonage en hydrogène de la zone de refroidissement, en injectant, outre
de l'azote dans la gaine 23 au niveau du premier emplacement 30A à un
débit sensiblement constant, et l'hydrogène au niveau de l'emplacement
31A, de l'azote dans le four 7 de recuit, de préférence dans la dernière
portion de sortie de celui-ci. Et dans ce cas de figure, on peut régler le
débit
d'azote injecté dans le four 7 de recuit en fonction d'une valeur de consigne
du point de rosée au niveau de ce four.
Cette disposition permet d'une part d'élever localement la
concentration d'hydrogène au niveau du poste 9 de refroidissement,
protégeant ainsi la surface de la bande contre une oxydation avant d'être
plongée dans le bain de zinc 13, et d'autre part de contribuer au
refroidissement de la bande 3.
On voit donc que selon ses multiples mode de mise en aeuvre,
le procédé de l'invention pem~et non seulement de réduire la consommation
d'hydrogène et ainsi le coût d'exploitation pour régénérer l'atmosphère
2 0 réductrice, mais d'autre part d'obtenir plus sûrement et dans des
conditions
économiques qui ne soient pas la simple mise en place d'un excès de
qualité d'atmosphère, une constance des caractéristiques des produits que
sort la ligne de galvanisation.
