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WO 03/104501 PCT/BE03/00102
"Procédé et dispositif de patentage de fils d'acier"
La présente invention est relative à un procédé et à un
dispositif de patentage d'au moins un fil d'acier comprenant
- une montée en température dudit au moins un fil d'acier jusqu'à une
température d'austénitisation de l'acier,
- un refroidissement brusque, en milieu liquide, dudit au moins un fil
ayant atteint ladite température d'austénitisation, par défilement dudit
au moins un fil au travers d'au moins un rideau de liquide de
refroidissement dans lequel celui-ci présente un écoulement turbulent
orienté sensiblement transversalement audit au moins un fil en
défilement, avec obtention d'une température de refroidissement
située en dessous de la température d'austénitisation et au-dessus
d'une température de transformation martensitique, et
- un. maintien isotherme dudit au moins un fil d'acier à une température
de transformation perlitique jusqu'à la fin de cette transformation.
On connaît depuis longtemps des bains de refroidissement
de fils destinés à une trempe des fils en acier en vue d'obtenir une
transformation de celui-ci.
On peut citer par exemple le patentage de fils d'acier
comprenant une trempe isotherme, c'est-à-dire un refroidissement rapide
de fils amenés à la température austénitique jusque dans une zone de
formation perlitique où les fils sont maintenus de manière plus ou moins
isotherme pour assurer la transformation sensiblement complète de
l'austénite.
On connaît des procédés faisant usage de bains de plomb
ou de sel fondu dans lesquels les fils à refroidir sont immergés. Ces
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procédés, très efficaces, sont à proscrire à l'heure actuelle pour des
raisons de toxicité et de danger pour l'environnement.
On connaît aussi des procédés faisant usage de bains
aqueux. Au cours de l'immersion dans un tel bain d'eau, à écoulement
laminaire, non turbulent, il se forme un film de vapeur tout autour des fils
à refroidir (v. par exemple EP-A-0 216 434). Ce film de vapeur est
thermiquement isolant, il ralentit donc le refroidissement
Pour contrôler de manière judicieuse l'intensité et la vitesse
du refroidissement, ainsi qu'un maintien le plus isothermique possible
des fils pendant leur transformation perlitique il a aussi été proposé de
faire passer les fils au travers de plusieurs bains d'eau à écoulement
laminaire, avec chaque fois formation d'un film de vapeur autour des fils
à refroidir, et, entre différents bains aqueux, en alternance un
refroidissement par de l'air, pendant lequel le film de vapeur disparaît (v.
par exemple EP-B-0 524 689). Un tel procédé présente l'inconvénient
d'être techniquement très difficile à appliquer et à calculer pour
déterminer correctement quand les fils en acier ont atteint la température
recherchée et comment les maintenir approximativement à une méme
température appropriée pendant la transformation perlitique.
On a aussi déjà prévu de refroidir les fils à patenter en les
faisant passer dans un bain de liquide de refroidissement et ensuite, dès
que les fils ont atteint la température recherchée, en les sortant du bain
et en les amenant dans une chambre de maintien de température qui est
mobile au-dessus du bain de refroidissement (v. BE-A-838796). C'est
dans cette chambre que la transformation perlitique de l'acier a lieu.
L'immersion se fait ici aussi dans un bain à écoulement laminaire, ce qui
nécessite l'emploi de liquides coûteux ou toxiques, par exemple de sel
fondu. L'eau comme liquide de refroidissement est inapplicable dans ce
procédé car on ne peut éviter la formation de films de vapeur autour des
fils à refroidir, pendant la traversée du bain.
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II faut noter que tous ces bains de liquide suivant l'état
antérieur de la technique nécessitent un système de pompage de liquide
qui consomme beaucoup d'énergie.
On connaît enfin un procédé de patentage de fils d'acier qui
sont refroidis en 3 étapes successives. Dans la première étape, on
procède à une projection de jets de liquide sous haute pression sur les
fils, dans la deuxième étape, à un léger réchauffement en phase
gazeuse avec apport d'énergie extérieure, et enfin, dans la troisième
étape, à un maintien isotherme des fils à la température réglée par le
réchauffement (v. BE-A-832391 ). Ce procédé particulièrement adapté
pour des fils à sections très épaisses requiert donc un appareillage
complexe et nécessite des dépenses d'énergie pour pouvoir ajuster la
température à maintenir pour la transformation perlitique et pour mettre
les jets d'eau sous haute pression.
La présente invention a pour but de mettre au point un
procédé et un dispositif simples et peu coûteux qui permettent de
surmonter les inconvénients précités et d'obtenir un contrôle rigoureux
du patentage des fils.
On résout ce problème suivant l'invention par un procédé
de patentage d'au moins un fil d'acier, tel que décrit au début, ce
procédé comprenant en outre
- un ajustement d'un nombre de rideaux successifs susdits qui est
déterminé pour obtenir, par ledit refroidissement en milieu liquide,
ladite température de transformation perlitique à maintenir pendant
l'étape de maintien isotherme, à titre de température de
refroidissement susdite, et
- le maintien isotherme susdit directement à la suite du refroidissement
en milieu liquide.
Ce procédé offre l'avantage que le contact entre le liquide de
refroidissement et le fil est direct, sans possibilité de formation d'un film
de vapeur autour du fil, film où l'échange thermique est nettement moins
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favorable. Etant donné la vitesse de défilement du fil combinée à la
vitesse d'écoulement de chaque rideau transversalement à la direction
de défilement du fil, le liquide de refroidissement n'a pas le temps de
former autour du fil un film de vapeur et l'échange thermique liquide-fil
d'acier reste excellent. Simultanément le procédé offre l'avantage de
pouvoir arrêter le refroidissement à n'importe quelle température
souhaitée par une simple détermination du nombre de rideaux
nécessaire. Cela est particulièrement important dans le cas du patentage
de fils d'acier, où il faut éviter une trempe trop rapide qui donne lieu à
l'apparition de martensite dans l'acier, ce qui est à éviter dans la plupart
des cas. A cet effet, un simple réglage du nombre de rideaux à traverser
en fonction de la vitesse de défilement du fil et de l'écoulement du liquide
de refroidissement, ainsi que du diamètre du fil à refroidir, suffit. Ce
réglage est simple puisqu'il suffit d'arrêter les rideaux en excès ou de
mettre en marche les rideaux nécessaires pour atteindre la température
souhaitée. Enfin, étant donné cette possibilité de réglage de la
température par le refroidissement en milieu liquide suivant l'invention, le
procédé permet d'éviter tout refroidissement ou réchauffement en milieu
gazeux avec les risques inhérents d'une perte de contrôle de la
température des fils.
Suivant une forme de réalisation de l'invention, le procédé
comprend une projection à partir du bas de rideaux susdits suivant un
écoulement turbulent ascensionnel. Le liquide de refroidissement est
projeté sous pression à la manière d'un geyser continu et donc très
turbulent. Avantageusement, les rideaux à écoulement turbulent
ascensionnel présentent un sommet et le procédé comprend en outre, à
partir dudit sommet et au moins d'un côté de chaque rideau à
écoulement turbulent ascensionnel, une chute de liquide à écoulement
turbulent à travers laquelle défile en outre ledit au moins un fil d'acier.
Lors de la réalisation d'un geyser de ce type, le fil peut donc traverser
trois courants successifs de liquide à écoulement turbulent l'un
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ascensionnel et les deux autres descendant, ce qui rend très efficace le
refroidissement qui s'ensuit.
Suivant une forme de réalisation perfectionnée de
l'invention, le procédé comprend une injection de bulles de gaz sous
pression dans une masse de liquide de refroidissement, d'une manière
guidée vers le haut, et un entraînement dudit liquide par lesdites bulles
sous la forme desdits rideaux projetés suivant ledit écoulement turbulent
ascensionnel. On utilisera de préférence un gaz inerte vis-à-vis de l'acier,
et en particulier de l'air. Les bulles d'air sous pression entraînent le
liquide de refroidissement et rendent simultanément son écoulement
turbulent, ce qui favorise l'échange thermique direct recherché. En outre,
la projection vers le haut par bulles d'air ne nécessite pas une dépense
d'énergie coûteuse et elle permet d'éviter tout système de pompage du
liquide de refroidissement.
Le liquide de refroidissement peut être n'importe quel
liquide approprié, de l'eau, du sel liquide, un polymère, de l'huile, et en
particulier de l'eau, car tous les inconvénients rencontrés par l'usage de
l'eau dans la technique antérieure peuvent étre surmontés par le procédé
suivant l'invention.
Le procédé se présente donc sous la forme d'un procédé
simple et facile à contrôler et à ajuster et il permet de consommer
uniquement des matières non polluantes et peu coûteuses, c'est-à-dire
de l'air comprimé et de l'eau de refroidissement.
D'autres particularités relatives au procédé suivant
l'invention sont indiquées dans les revendications données ci-après.
La présente invention concerne également un dispositif
pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Un tel dispositif
comprend
- un four d'austénitisation dudit au moins un fil d'acier,
- des moyens d'entraînement en défilement dudit au moins un fil
d'acier,
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- des moyens de projection d'au moins un rideau de liquide de
refroidissement dans lequel celui-ci présente un écoulement turbulent
orienté sensiblement transversalement audit au moins un fil en
défilement, pour refroidir celui-ci en milieu liquide à ladite température
de refroidissement située en dessous de la température
d'austénitisation et au-dessus de la température de transformation
martensitique, et
- une chambre de maintien en température pour les fils ayant atteint
ladite température de transformation perlitique,
Suivant l'invention, ce dispositif comprend en outre
- des moyens d'ajustement du nombre de rideaux successifs de liquide
de refroidissement à traverser par ledit au moins un fil en défilement
pour atteindre ladite température de transformation perlitique, à titre
de température de refroidissement, et
- un agencement de la chambre de maintien en température
directement à la sortie du rideau situé le plus aval par rapport au
défilement dudit au moins un fil.
Suivant une forme de réalisation du dispositif suivant
l'invention, il comprend une cuve contenant le liquide de refroidissement
qui est agencée en dessous dudit au moins un fil en défilement et des
moyens de projection des rideaux de liquide susdits suivant un
écoulement turbulent ascensionnel. On peut bien entendu prévoir
également une cuve agencée au-dessus des fils en défilement et la
chute ou la projection de rideaux de liquide de refroidissement à partir du
haut.
Suivant une forme perfectionnée de réalisation de
l'invention, la chambre de maintien en température est montée de
manière à pouvoir se déplacer horizontalement par-dessus la cuve en
fonction du nombre de rideaux de liquide en service.
D'autres particularités relatives au dispositif suivant
l'invention sont indiquées dans les revendications données ci-après.
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D'autres détails de l'invention ressortiront de la description
donnée dans la suite, à titre non limitatif et avec référence aux dessins
annexés.
La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un
dispositif de refroidissement de fils d'acier à mettre en oeuvre dans un
procédé de patentage suivant l'invention.
La figure 2 représente une vue en plan du dessus de la
figure 1.
La figure 3 représente une vue schématique d'une
installation de patentage de fils d'acier mettant en oeuvre le procédé
suivant l'invention.
Sur les différents dessins, les éléments identiques ou
analogues portent les mêmes références.
Pour la description des différentes figures on fait référence
à un dispositif de refroidissement par eau. Cette description reste
applicable au refroidissement par tout autre liquide de refroidissement.
Sur les figures 1 et 2, on a représenté une cuve 1
contenant de l'eau de refroidissement 2. Au-dessus de cette cuve défile
un ou plusieurs fils d'acier 3 suivant un sens de défilement indiqué par la
flèche 4, ces fils présentant de préférence une section d'un diamètre
inférieur à 15 mm. Des moyens d'entraînement en défilement courants
sont représentés de manière schématique par les références 23 et 24.
L'eau peut être alimentée par une entrée 5 et être évacuée par le haut
par un trop-plein 6. Dans la cuve illustrée la hauteur de colonne d'eau est
égale à environ 750mm de H20 (7350 Pa). Le trop-plein 6 peut être en
communication avec une entrée inférieure 5', par l'intermédiaire d'un
échangeur de chaleur non représenté, de manière à mettre l'eau de
refroidissement en circulation.
La cuve comprend aussi des moyens de projection de
rideaux d'eau ascensionnels. Ces moyens de projection comprennent
des conduits d'alimentation à air 7 à 9 disposés au fond de la cuve
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parallèlement l'un à l'autre et transversalement au sens de défilement
des fils. Chacun de ces conduits est relié, au travers d'ouvertures
correspondantes dans la cuve et par l'intermédiaire de raccords 10 à 12,
à un conduit distributeur 13 alimenté en air sous pression par un
ventilateur 14. Sur chaque raccord 10 à 12 est prévûe une vanne
d'obturation 22 qui permet d'ajuster l'alimentation en air sous pression
des conduits 7 à 9 et de les mettre en ou hors service en fonction des
besoins.
Dans l'exemple illustré, les conduits d'alimentation à air 7 à
9 sont perforés et alimentent donc, dans l'eau de la cuve, des bulles d'air
sous pression. Par-dessus chaque conduit 7 à 9, deux plaques de
guidage 15 et 16 sont supportées par les parois longitudinales 38 et 39
de la cuve de manière à traverser celle-ci de part en part. A leur
extrémité haute, située au-dessus du niveau d'eau, les plaques de
guidage sont peu écartées et forment ainsi une mince fente de sortie. A
leur extrémité basse, située un peu plus bas que leur conduit
d'alimentation à air, les plaques de guidage 15 et 16 présentent un
écartement nettement supérieur à celui présenté à leur sommet. Les
plaques de guidage forment ainsi une espèce de toiture entre les deux
pans de laquelle les bulles sont guidées de manière forcée vers le haut.
Avec une pression d'air uniquement légèrement supérieure à la colonne
d'eau, dans le cas illustré une pression de l'ordre de 1000 mm de H20
(9806 Pa) par exemple, les bulles d'air entrainent l'eau de la cuve
pendant leur ascension et expulsent un rideau d'eau turbulent 17 vers le
haut. Au sommet du rideau d'eau, il peut se partager en deux et former
deux chutes d'eau turbulentes 18 et 19 que le fil à refroidir doit aussi
traverser.
Les paires de plaques de guidage 15, 16 peuvent étre
agencées de manière suffisamment serrée dans leur succession pour
que les chutes d'eau de deux rideaux voisins puissent se croiser. De
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cette manière, le fil défile en continu dans de l'eau, et pourtant il n'y a
jamais possibilité de formation d'un film de vapeur d'eau autour du fil.
On peut envisager dans certains cas un couvercle 20 qui
ferme la cuve vers le haut et qui présente des déflecteurs 21 pour
orienter la direction des chutes d'eau 18 et 19.
Sur la figure 3, on a représenté de manière schématique
une installation de patentage de fils d'acier. Cette installation comprend,
avant le refroidissement des fils, une unité de chauffe des fils, par
exemple comme décrit dans la demande de brevet W001/73141. Ici,
l'unité de chauffe est constituée d'un four à lit fluidisé 25 dans lequel
défile en continu une nappe de fils 26 dans le sens de défilement 27. Les
fils sortent de ce four à une température d'austénitisation, par exemple
d'environ 950°C, et ils passent alors dans un dispositif d'égalisation
de
température 28 où la température de fil acquise est maintenue, dans le
cas illustré par un recyclage des gaz brûlés du four 25 par le conduit 29.
La dissolution des carbures (cémentite) s'accomplit dans ce dispositif 28
et les fils sont alors passés dans le dispositif de refroidissement suivant
l'invention 30.
II est compréhensible pue l'unité de chauffe et le dispositif
de maintien à température ne sont pas critiques suivant l'invention et
qu'ils peuvent être agencés de n'importe quelle manière appropriée pour
obtenir un fil à la température d'austénitisation.
Le dispositif de refroidissement 30, agencé par exemple
comme prévu sur les figures 1 et 2, permet la formation de plusieurs
rideaux d'eau ascensionnels, turbulents, au travers desquels passe la
nappe de fils 26, sans nécessiter de déviation des fils. Dans l'exemple
illustré, seuls 10 rideaux ont été mis en service alors que la cuve en
permet la formation de 20.
Lors du refroidissement de l'acier, il est très important que
la température du produit correspondant à la qualité souhaitée soit
rapidement atteinte et cela, si possible, avant de pénétrer dans les
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courbes de transformation en S de l'acier, bien connues, appelées
courbes TTT (transformation, température, temps), afin que celles-ci
puissent être traversées selon une isotherme. Lors du patentage des fils
illustrés, ceux-ci sont rapidement refroidis par les dix premiers rideaux
jusqu'à une température inférieure à la température austénitique et
supérieure à la température martensitique, en particulier entre 500 et
680°C, par exemple de l'ordre de 580°C.
A cette température, les fils se trouvent en face du nez des
courbes en S, c'est-à-dire à une température correspondant au temps
d'incubation minimum, pour passer à travers ces courbes, ce qui permet
d'éviter des perturbations qui pourraient influencer la structure de l'acier.
Dans l'exemple de réalisation suivant la figure 3, on a prévu
alors une chambre 31 de maintien à température pour les fils qui est
capable de se déplacer horizontalement, par exemple comme décrit
dans le brevet belge BE-A-838796. Ici la chambre 31 est supportée sur
une table 32 par des galets 33. Son entrée 34 est amenée par-dessus la
cuve 30 et la nappe de fils, jusque juste derrière le dernier rideau d'eau
mis en service, vu dans le sens de défilement des fils. Là, par des
rouleaux de renvoi 35 et 36, la nappe de fils est déviée au travers de la
chambre 31 qui, par des résistances électriques 37 par exemple, est
maintenue à la température atteinte par les fils après passage à travers
le dernier rideau d'eau, par exemple 580°C. A ce moment, étant donné la
vitesse de défilement des fils et le refroidissement rapide obtenu par
l'échange thermique avec les rideaux d'eau, l'acier n'a de préférence pas
encore atteint les courbes de transformation perlitique dites en S. II peut
alors traverser celles-ci de manière isotherme, éventuellement avec une
légère élévation spontanée de température en début de transformation
par exemple jusqu'à 600°C, et cela hors de contact avec tout liquide de
refroidissement et sans étape intermédiaire de refroidissement ou de
réchauffage dans un milieu gazeux.
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De cette manière le refroidissement rapide obtenu par les
rideaux d'eau a été arrêté à la température voulue, qui est atteinte en
fonction du nombre de rideaux mis en service.
II suffit de diminuer ou d'augmenter le nombre de rideaux à
mettre en service par exemple si les fils à traiter ont un diamètre plus
petit ou plus grand ou si leur défilement est plus lent ou plus rapide, pour
une raison quelconque.
II doit être entendu que la présente invention n'est en
aucune façon limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus et que
bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des
revendications données ci-après.
