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CA 02385685 2002-03-22
WO 01/21844 PCT/FROO/02597
PROCEDE DE FABRICATION DE BANDES D'ACIER AU CARBONE,
NOTAMMENT D'ACIER POUR EMBALLAGES, ET BANDES AINSI
PRODUITES
L'invention concerne la sidérurgie. Plus précisément, elle concerne la
fabrication
des bandes d'acier destinées à être transformées en emballages de faible
épaisseur, teis qùè
des boîtes pour boissons et aliments en conserve.
Le procédé classique de fabrication de bandes d'acier destinées à être ensuite
transformées en emballages de faible épaisseur, notamment pour boissons et
produits
alimentaires, comporte les étapes suivantes :
- coulée continue de brames d'acier au carbone ;
- laminage à chaud de ces brames sur un train à bandes avec une température de
fin de laminage supérieure à la température Ar, de la nuance considérée ;
- laminage à froid de la bande à chaud ainsi obtenue, ce laminage à froid
pouvant
être effectué en une étape unique, ou en deux étapes pouvant être séparées par
un
traitement thermique, selon l'épaisseur finale désirée pour la bande ;
- recuit de la bande à froid ainsi obtenue, par recuit base ou recuit continu.
Dans la pratique, les épaisseurs des bandes finales après laminage à froid et
recuit
sont de l'ordre de 0,09 à 0,40 mm. Ces bandes sont ensuite découpées en
feuilles et/ou en
flans, qui sont emboutis pour former les emballages recherchés.
Cette filière de fabrication est longue et coûteuse en énergie, du fait
qu'elle
nécessite l'utilisation d'installations séparées. En particulier, le laminage
des brames sur le
train à bandes est onéreux, notamment parce que ces brames doivent
préalablement être
réchauffées à haute température. D'autre part, le train à bandes est un outil
nécessitant un
investissement élevé.
Cet inconvénient peut être contourné en remplaçant l'ensemble coulée continue-
four de réchauffage-train à bandes par une installation de coulée directe de
bandes minces
d'épaisseur inférieure à 10 mm. Cette solution a été proposée dans le document
JP 09-
001207, qui enseigne de couler directement à partir de métal liquide, sur une
installation de
coulée entre deux cylindres contrarotatifs refroidis intérieurement, des
bandes dont la
composition correspond à une nuance classique d'aciers pour emballages (C% 5
0,15
Mn% < 0,6 ; P% 5 0,025 ; S%:5 0,025 ; Al% 5 0,12% ; N%5 0,01 ; O10al% 5
0,007%,
toutes ces teneurs étant exprimées en pourcentages pondéraux). La bande ainsi
coulée subit
ensuite un décapage, un premier laminage à froid, un recuit de
recristallisation et un second
laminage à froid. Le taux de réduction total subi par la bande lors des
laminages à froid est
compris entre 85 et 95% si on veut obtenir des résultats satisfaisants sur le
taux des cornes
d'emboutissage, le coefficient d'anisotropie r et l'anisotropie planaire Ar.
La coulée entre
cylindres peut être suivie par un léger laminage à chaud avec un taux de
réduction de 20 à
50%, voire davantage. La fabrication de la bande à chaud qui doit ensuite
subir le laminage
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à froid et les traitements associés est ainsi plus rapide et plus économique.
Toutefois, la
nécessité de procéder ensuite à un laminage à froid en deux étapes séparées
par un recuit
tempère ces avantages.
Le but de invention est de proposer un procédé plus économique que les
procédés
connus pour l'obtention de bandes d'acier laminées à froid utilisables pour la
fabrication
d'emballages, notamment pour emballages alimentaires tels que des boîtes-
boisson.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication de bandes
d'acier au
carbone, notamment d'acier pour emballages, selon lequel : - on coule sous
forme d'une
bande mince de 0,7 à 10 mm d'épaisseur, directement à partir de métal liquide,
un acier ayant
une composition adaptée à une utilisation comme acier pour emballage; - on
effectue une
opération de laminage à chaud en ligne de ladite bande, se terminant dans le
domaine
austénitique dudit acier pour obtenir une bande d'épaisseur inférieure à 3 mm;
- on effectue
un refroidissement forcé de ladite bande à une vitesse de 80 à 400 C/s se
terminant dans le
domaine ferritique dudit acier; - on effectue un laminage à froid de ladite
bande à un taux de
réduction de 85% au moins en une seule étape; - et on effectue un recuit de
ladite bande.
L'invention a également pour objet l'utilisation d'une bande d'acier obtenue
selon ce
procédé pour la fabrication d'emballages.
L'invention a également pour objet une bande d'acier au carbone, notamment
d'acier
pour emballages, caractérisées en ce qu'elle est susceptible d'être obtenue
par le procédé
précédent.
Comme on l'aura compris, l'invention repose sur l'utilisation d'un procédé de
coulée
entre cylindres suivi d'au moins une étape de laminage à chaud en ligne et
d'un
refroidissement particulier de la bande. On obtient ainsi une bande à chaud
qui tolère de ne
subir ensuite qu'une seule étape de laminage à froid (hormis le classique
passage final au
skin-pass) pour se voir conférer les propriétés qui la rendent adaptée à la
fabrication d'aciers
pour emballages.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit.
Le procédé selon l'invention commence par la coulée sous forme de bandes
minces de
0,7 à 10 mm d'épaisseur (préférentiellement de 1 à 4 mm) d'un demi-produit à
basse ou ultra-
basse teneur en carbone d'un acier pouvant être utilisé pour l'emballage de
composition
classique. Cette composition, pour les principaux éléments présents, répond
aux critères
principaux (les pourcentages sont exprimés en pourcentages pondéraux) : 0% <=
C
0,15%;0%<=Mn<=0,6%;0%<=P<=0,025%;<=0%<=S<=0,05%;0%<=A1<=
0,12%; 0% <= N <= 0,04%. Cet acier contient en outre des impuretés habituelles
résultant de
l'élaboration, et éventuellement des éléments d'alliage en faible quantité qui
n'affecteront pas
défavorablement les propriétés des produits lors de leur mise en forme ou de
leur utilisation
comme aciers pour emballages (il est ainsi connu, dans certains aciers pour
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emballage, d'introduire quelques millièmes de % de bore), le reste étant du
fer. Les
éléments d'alliage, en général absents, peuvent, éventuellement, être présents
en des
teneurs pouvant aller jusqu'à 1 % ; Ces éléments sont notamment Si, Cr, Ni,
Mo, Cu. Pour
des raisons réglementaires, certains éléments d'alliages doivent être exclus
lorsque l'acier
est destiné à l'emballage ; ces éléments sont par exemple le plomb, le cadmium
et
l'arsenic.
La coulée continue de bandes minces directement à partir de métal liquide est
une
technique qui est expérimentée depuis plusieurs années pour la coulée d'aciers
au carbone,
d'aciers inoxydables et d'autres alliages ferreux. La technique la plus
couramment utilisée
en coulée de bandes minces d'alliages ferreux, et qui est en train de parvenir
au stade
industriel, est la technique dite de coulée entre cylindres , selon
laquelle on introduit du
métal liquide entre deux cylindres rapprochés à axes horizontaux, mis en
rotation en sens
inverses et refroidis intérieurement. L'espace de coulée est obturé
latéralement par des
plaques en réfractaire appliquées contre les faces latérales planes des
cylindres. Des
t 5 peaux de métal solidifié se forment sur chacun des cylindres, et se
rejoignent au niveau
du col (la zone où l'écart entre les surfaces latérales cylindriques des
cylindres est le plus
faible et correspond sensiblement à l'épaisseur désirée pour la bande) pour
former une
bande solidifiée. Cette technique est particulièrement recommandée pour
l'invention parce
qu'elle donne accès aux épaisseurs de bande de quelques mm,.et on s'y référera
dans la
suite de la description. Mais on peut utiliser d'autres procédés de coulée
directe de bandes
minces, tels que la coulée entre deux bandes en défilement qui permet de
couler des
produits un peu plus épais que la coulée entre cylindres. Toutefois, l'un des
avantages de la
coulée entre cylindres est la possibilité d'obtenir, si nécessaire, des
profils d'épaisseur de la
bande en sens travers extrêmement plats, grâce à l'excellente maîtrise du
bombé des
cylindres que permettent les modes de mise en pratique de ce procédé les plus
évolués
(voir, par exemple, le document EP 0 736 350).
A sa sortie des cylindres, la bande traverse, de préférence, une zone telle
qu'une
enceinte inertée par une insufflation de gaz, où elle est soumise à un
environnement non
oxydant (une atmosphère neutre d'azote ou d'argon, voire une atmosphère
comportant une
certaine proportion d'hydrogène pour la rendre réductrice), afin d'éviter ou
de limiter la
formation de calamine à sa surface. En sortie de cette zone d'inertage on peut
également
placer un dispositif de décalaminage de la bande par projection de grenailles
ou de CO,
solide sur sa surface ou par brossage, afin d'éliminer la calamine qui aurait
pu se former
malgré les précautions prises. On peut également choisir de laisser se former
la calamine de
façon naturelle sans chercher à inerter l'atmosphère environnant la bande,
puis d'éliminer
cette calamine par un dispositif tel qu'on vient de le décrire. La présence de
calamine sur la
bande n'est, en général, pas souhaitée, à cause des risques d'incrustation de
cette calamine
dans la surface de la bande lors des laminages ultérieurs. De telles
incrustations conduisent
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à un médiocre état de surface des produits. De plus, la calamine augmente les
efforts de
laminage à appliquer, et dégrade l'état de surface des cylindres du laminoir:
Autant que possible immédiatement après la sortie de la bande de
l'installation
d'inertage ou de décalaminage, s'il y en a une, a lieu une opération de
laminage à chaud de
la bande, suivie par un refroidissement fort. Le but de ce traitement est
d'obtenir une bande
ayant:
- une épaisseur inférieure à 3 mm (typiquement 0,9 mm) qui, en liaison avec
les
taux de réduction qui seront pratiqués lors du laminage à froid qui suivra,
permettra
d'obtenir des bandes finales ayant l'épaisseur souhaitée ;
- une structure métallurgique qui, toujours en liaison avec les traitements
ultérieurement subis par la bande, permet d'obtenir sur la bande les
propriétés mécaniques
requises pour l'utilisation future du métal, par exemple comme acier pour
emballages ;
- un profil travers plus plat que ceux obtenus avec les procédés
conventionnels.
Pour parvenir à ce résultat, deux variantes de schémas de fabrication sont
proposées.
Selon la première variante, on effectue une unique étape de laminage à chaud
de la
bande, se terminant à une température supérieure à la température Ar, de
l'acier coulé,
autrement dit dans le domaine austénitique. Ce laminage à chaud s'effectue
avec un taux de
réduction minimal de 20%, et préférentiellement ce taux est supérieur à 50%.
Ce laminage
à chaud a pour fonctions :
- de refermer les porosités qui peuvent être présentes au c ur de la bande
après sa
coulée ;
- de casser la microstructure de solidification ;
- et d'améliorer l'état de surface de la bande en écrasant les reliefs qui
peuvent
être présents à la surface de la bande, en particulier lorsqu'on a utilisé
lors de la coulée des
cylindres présentant une relativement forte rugosité qui peut être avantageuse
pour
l'optimisation des transferts thermiques entre les cylindres et les peaux
solidifiées.
Cette unique étape de laminage à chaud peut être effectuée au moyen du passage
de la bande dans une seule cage de laminoir. Elle peut aussi être effectuée de
façon plus
progressive en faisant passer la bande dans deux cages de laminoir ou plus. La
première
cage peut, par exemple, appliquer à la bande un taux de réduction seulement
suffisant pour
refermer les porosités, et la deuxième cage assure alors la majeure partie de
la réduction
d'épaisseur permettant de remplir les deux autres fonctions du laminage à
chaud.
L'essentiel est que le taux de réduction global provoqué par ce ou ces
passages dans la ou
les cages successives et la température de la bande après son passage dans la
dernière cage
se situent dans les gammes de valeurs prescrites.
Selon la seconde de ces variantes, le laminage à chaud s'effectue en deux
étapes,
séparées par un réchauffage, et éventuellement par un décalaminage. La
première de ces
étapes s'effectue soit dans le domaine austénitique, soit dans le domaine
ferritique de la
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bande coulée, avec un taux de réduction de 20 à 70%. Elle a des fonctions
identiques à
celles de l'étape unique de laminage à chaud de la première variante, et peut
aussi être
effectuée par le passage de la bande dans une ou plusieurs cages de laminoir
successives.
Préférentiellement, cette première étape de laminage a lieu dans le domaine
ferritique
lorsqu'on veut obtenir une épaisseur finale de la bande faible, car de
moindres efforts sont
nécessaires pour déformer la bande de manière régulière sur toute sa largeur
que lorsque la
bande est dans le domaine austénitique. Lorsqu'on réalise cette première étape
de laminage
à chaud en la répartissant sur plusieurs cages, il est cependant envisageable
de débuter cette
première étape dans le domaine austénitique, par exemple par un laminage
relativement
io léger qui viserait principalement à refermer les porosités, et de la
terminer dans le domaine
ferritique où on réaliserait le restant de la réduction d'épaisseur. Après
cette première étape
de laminage à chaud, on laisse la bande se refroidir jusque dans le domaine
ferritique si elle
ne s'y trouve pas déjà (au besoin à l'aide d'un léger refroidissement forcé),
puis on lui
applique un traitement thermique de réchauffage qui la ramène dans le domaine
austénitique, donc au-dessus de la température Ara. On provoque ainsi un
changement de
phase supplémentaire dans la bande, ce qui a pour conséquence un affinement
encore plus
poussé des grains de la structure métallurgique. Puis on réalise la seconde
étape de
laminage à chaud, dans le domaine austénitique, avec un taux de réduction de
10 à 30%. Ce
second laminage à chaud a pour fonction essentielle de corriger les défauts
géométriques
(mauvaise planéité, sabre...) que le premier laminage à chaud a pu provoquer.
Le
réchauffage intermédiaire peut être réalisé au moyen d'un inducteur que
traverse la bande.
Pour une bande d'épaisseur 0,75 mm et de largeur 850 mm défilant à une vitesse
de 200
m/mn, une puissance de 1,04 MW est nécessaire si une élévation de température
de 100 C
est recherchée. En conséquence, si on utilise un inducteur à solénoïde en flux
longitudinal
fonctionnant à 500 kHz, dont le rendement est habituellement de l'ordre de
45%, une
longueur d'inducteur de 2 m environ (dont 1,5 m de zone utile) est adaptée à
cet usage. Si
la bande a une épaisseur plus faible, on peut utiliser la technologie de
chauffage par
induction sous flux transverse, décrite notamment dans le document High flux
induction
for the fast heating of steel semi-product in line with rolling (Proceedings
of the XIII
International Congress on Electricity Applications, Birmingham, June 1996).
Mais de
manière générale, d'autres technologies plus conventionnelles, telles qu'un
four à moufle
sous atmosphère contrôlée, ou des tubes radiants, peuvent être utilisées pour
assurer ce
réchauffage.
Les deux variantes qui viennent d'être décrites ont donc pour point commun de
se
terminer par un laminage effectué sur la bande en phase austénitique, qui
s'achève donc au-
dessus de la température Ara. Dans les deux cas, le procédé selon l'invention
se poursuit
par un refroidissement de la bande qui comporte une étape de refroidissement
forcé à une
vitesse de 80 à 400 C/s, préférentiellement 100 à 300 C/s. Ce refroidissement
s'achève
dans le domaine ferritique de l'acier coulé, et en général amène la bande à
une température
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proche de sa température de bobinage. Il a pour but d'éviter une croissance
trop importante
de la taille des grains avant le bobinage et pendant le séjour de la bande
sous forme de
bobine. Cette température de bobinage est typiquement inférieure à 750 C. Pour
les
nuances calmées à l'aluminium, la température de bobinage peut être choisie
aux environs
de 550 C ou 600 C ou 700 C afin de favoriser plus ou moins la précipitation de
nitrures
d'aluminium.
Il est important pour la fiabilité de l'obtention des propriétés recherchées
pour la
bande que ce refroidissement forcé s'effectue de manière homogène sur toute la
largeur de
la bande. On peut chiffrer à 10 C l'amplitude maximale souhaitable des
différences de
i o température d'un point à un autre de la largeur de la bande à un instant
donné. Cette
homogénéité est plus difficile à garantir si la vitesse de refroidissement est
élevée, ce qui
motive la recommandation d'une vitesse maximale de 400 C/s. Inversement, une
vitesse
minimale de 80 C/s assure que le refroidissement aura l'efficacité
métallurgique souhaitée.
De telles vitesses de refroidissement peuvent être obtenues, notamment, par
projection
d'eau au moyen de gicleurs à haute pression, ou par projection d'un mélange
eau-air ou
similaire (atomisation). Ce refroidissement forcé peut débuter juste après le
laminage
austénitique de la bande, mais il est conseillé de ne le débuter qu'après
avoir laissé la bande
se refroidir à faible vitesse (environ 10 C/s, ce qui est accessible par une
simple exposition
à l'air libre) et passer dans le domaine ferritique, donc en dessous de Ar3.
De cette façon,
on profite pleinement de l'affinement du grain lié au changement de phase
austénite-ferrite,
alors qu'un refroidissement rapide qui débuterait dans le domaine austénitique
gênerait
sensiblement l'homogénéité de la microstructure. Il est à noter cependant que
le
refroidissement accéléré ne doit pas débuter, de préférence, à une température
inférieure à
Ar3 -10 C.
De manière générale, l'utilisation d'un refroidissement rapide avant bobinage
permet d'éviter la présence de gros grains en peau de la bande, qui sont
particulièrement
indésirables sur les aciers pour emballages. En effet, ceux-ci doivent avoir,
après laminage
à froid, une très grande homogénéité de leurs caractéristiques finales.
La bande bobinée puis débobinée subit ensuite un laminage à froid à un taux de
réduction d'au moins 85%, de préférence plus de 90%. Ce laminage à froid peut
parfaitement être exécuté par simple réduction, c'est à dire en une seule
étape, et non
impérativement en deux étapes avec recuit intermédiaire comme c'était le cas
dans le
document JP 09-001207 déjà cité (laminage à froid à double réduction). On
obtient des
aptitudes à l'emboutissage comparables à celles obtenues par les procédés
connus, et on a
accès à des épaisseurs de bande plus faibles que les 0,09 mm des procédés
connus sans
pour autant devoir recourir à un laminage à froid à double réduction. Si on ne
désire pas
obtenir de bandes plus fines qu'habituellement, on peut obtenir les épaisseurs
classiques
avec de moindres taux de réduction lors du laminage à froid, ce qui est plus
économique. Il
est, bien entendu, possible de réaliser un laminage à froid de la bande en
double réduction
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si on désire obtenir une épaisseur encore plus faible ou des caractéristiques
mécaniques
plus élevées.
A titre indicatif, on peut présenter le tableau 1 qui donne des exemples
d'épaisseurs finales de la bande en fonction de son épaisseur initiale après
coulée et des
taux de laminage appliqués lors des étapes de laminage à chaud (en une ou deux
étapes
selon la variante choisie) et de laminage à froid.
Epaisseur de la Taux de laminage à Epaisseur de la bande Taux de lanùnage
Epaisseur finale de
bande coulée (mm) chaud (%) à chaud (mm) à froid (%) la bande (mm)
3 65 1,05 85 à 92 0,158 à 0,084
3 70 0,9 85 à 92 0,135 à 0,072
2 60 0,8 85 à 92 0,12 à 0,064
1,5 50 0,75 85 à 92 0,113 à 0,060
Tableau 1 : Epaisseur des bandes obtenues en fonction des divers paramètres de
coulée et
de laminage
Après le laminage à froid, la bande subit le recuit (base ou continu) habituel
destiné à lui conférer ses propriétés mécaniques. Ce recuit peut être suivi,
comme
d'habitude, par un décapage, un revêtement et/ou un passage au skin-pass.
Les vitesses de sortie de la bande du laminoir à chaud étant de l'ordre de 250
m/mn ou moins, ces vitesses sont compatibles avec une mise sur une ligne
unique de ce
laminoir (donc dé la ligne de coulée dans son ensemble) et d'une ou plusieurs
des
opérations de laminage à froid, de recuit et de traitement à froid des aciers
pour emballage,
dont le débit de métal est compatible avec celui du laminoir à chaud. On peut
citer comme
exemples de telles opérations, outre le décapage et le skin-pass pouvant
suivre le recuit, un
laquage, un vernissage, un dépôt de polymère, par exemple par coextrusion, un
dépôt sous
vide par plasma ou bombardement électronique, un revêtement métallique par
électrodéposition. Si l'opération de laminage à froid a lieu en ligne avec
l'opération de
coulée et de laminage à chaud, cela implique la suppression de l'étape de
bobinage de la
bande.
Si l'invention trouve un domaine d'application privilégié dans la fabrication
de
bandes d'acier destinées à être embouties pour former des emballages pour
boissons ou
aliments en conserve, il va de soi qu'elle peut s'appliquer à la fabrication
de bandes d'acier
destinés à d'autres usages pour lesquels des qualités similaires seraient
exigées pour les
bandes produites.
