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Procédé et équipement de refroidissement
Domaine de l'invention
L'invention concerne le domaine du laminage des plaques ou plateaux en
alliages
d'aluminium.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé de refroidissement
particulièrement rapide, homogène et reproductible du plateau entre les
opérations
d'homogénéisation et de laminage à chaud.
L'invention concerne également l'installation ou équipement permettant la mise
en
oeuvre dudit procédé.
Etat de la technique
La transformation des plateaux de laminage en alliage d'aluminium issus de la
coulée exige, avant laminage à chaud, un traitement thermique
d'homogénéisation
métallurgique. Ce traitement thermique est opéré à une température proche du
solvus
de l'alliage, plus élevée que la température de laminage à chaud. L'écart
entre la
température d'homogénéisation et la température de laminage à chaud est
compris
entre 30 et 150 C, selon les alliages. Le plateau doit donc être refroidi
entre sa sortie
du four d'homogénéisation et son laminage à chaud. Pour des raisons soit de
productivité, soit de structure métallurgique, notamment éviter certains
défauts de
surface sur la tôle finie, il est très souhaitable de pouvoir réaliser le
refroidissement
du plateau entre sa sortie du four d'homogénéisation et le laminoir à chaud de
manière rapide.
Cette vitesse de refroidissement du plateau souhaitée est comprise entre 150
et
500 C/h.
Compte tenu de la forte épaisseur des plateaux de laminage en alliage
d'aluminium,
soit entre 250 et 800 mm, le refroidissement à l'air est particulièrement lent
: la
vitesse de refroidissement à l'air d'un plateau de 600 mm d'épaisseur est
comprise
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entre 40 C/h à l'air calme ou sous convection naturelle, et 100 C/h sous air
ventilé
ou convection forcée.
Le refroidissement à l'air ne permet donc pas d'atteindre les vitesses de
refroidissement souhaitées.
Le refroidissement au moyen d'un liquide ou d'un brouillard (mélange d'air et
de
liquide) est nettement plus rapide car la valeur du coefficient d'échange,
connu de
l'homme du métier sous l'appellation HTC (Heat Transfer Coefficient), entre un
liquide ou un brouillard et la surface chaude du plateau métallique est
nettement
supérieure à la valeur de ce même coefficient entre l'air et le plateau.
Le liquide choisi seul ou dans le brouillard est par exemple de l'eau et, dans
ce cas,
idéalement de l'eau désionisée. Ainsi, le coefficient HTC est compris entre
2000 et
20000 W/(m2.K) entre de l'eau et le plateau chaud tandis qu'il est compris
entre 10 et
30 W/(m2.K) entre de l'air et le plateau chaud.
En revanche, le refroidissement au moyen d'un liquide ou brouillard génère
habituellement de manière naturelle de forts gradients thermiques dans le
plateau :
Le nombre adimensionnel de Biot illustre l'homogénéité thermique du
refroidissement. Il correspond au rapport de la résistance thermique interne
d'un
corps (transfert de chaleur interne par conduction) à sa résistance thermique
de
surface (transfert de chaleur par convection et rayonnement).
Bi = HTC = D
A,
HTC étant le coefficient d'échange entre le fluide et le plateau,
D, la dimension caractéristique du système, ici la demi-épaisseur du plateau,
X, la conductivité thermique du métal, par exemple, pour un alliage
d'aluminium, 160
W/(m2.K).
Si Bi << 1, le système est pratiquement isotherme, le refroidissement est
uniforme.
Si Bi 1, le système est thermiquement très hétérogène et le plateau est le
siège de
forts gradients thermiques.
Pour un plateau d'épaisseur 600 mm, le nombre de Biot vaut :
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- Entre 0.02 et 0.06 pour un refroidissement à l'air calme ou ventilé. Le
nombre
de Biot est faible devant 1, le plateau est refroidi de manière isotherme.
- Entre 4 et 40 pour un refroidissement à l'eau. Le nombre de Biot est fort
devant 1, le plateau est refroidi de manière très hétérogène dans son
épaisseur.
Cette hétérogénéité se traduit également dans la largeur du plateau, en raison
des
effets de bords et d'arêtes, naturellement plus refroidies que les grandes
faces du
plateau.
Elle se traduit aussi dans la longueur du plateau, par effet de coin,
naturellement
refroidi suivant les trois faces le constituant.
L'hétérogénéité thermique est un handicap majeur du refroidissement à l'aide
d'un
liquide ou brouillard. Elle pose problème non seulement pour le procédé
suivant,
c'est à dire le laminage à chaud mais elle est aussi potentiellement néfaste
pour la
qualité finale du produit, à savoir l'alliage d'aluminium vendu sous forme de
bobines
ou de tôles à hautes caractéristiques mécaniques.
Les dispositifs connus de l'art antérieur ne cherchent pas à limiter cette
hétérogénéité
du refroidissement.
Les procédés de refroidissement à l'aide d'un liquide de refroidissement
connus de
l'art antérieur, notamment pour les tôles fortes, opèrent soit par immersion
dans un
bac, soit par passage dans un caisson d'aspersion mais sans attention
particulière
portée à la maîtrise de l'équilibre thermique du produit.
Ainsi, ces procédés ne permettent :
- Ni d'obtenir un champ thermique uniforme dans le plateau refroidi
- Ni de garantir la reproductibilité du refroidissement d'un plateau à
l'autre.
Problème posé
L'invention a pour objectif de corriger l'ensemble des défauts majeurs liés
aux
procédés de refroidissement de plateaux épais de l'art antérieur et d'assurer
:
- Un refroidissement rapide, à une vitesse d'au moins 150 C/h, et
conséquent,
soit de 30 à 150 C de refroidissement à partir d'une température de l'ordre de
450 à
600 C
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- Un champ thermique homogène et maitrisé dans l'ensemble du plateau
- L'assurance d'une parfaite reproductibilité d'un plateau épais à l'autre.
Objet de l'invention
L'invention a pour objet un procédé de refroidissement d'un plateau de
laminage en
alliage d'aluminium de dimensions typiques de 250 à 800 mm en épaisseur, 1000
à
2000 mm en largeur et 2000 à 8000 mm en longueur, après le traitement
thermique
d'homogénéisation métallurgique dudit plateau à une température typiquement
comprise entre 450 à 600 C selon les alliages et avant son laminage à chaud,
caractérisé en ce que le refroidissement, d'une valeur de 30 à 150 C, est
effectué à
une vitesse de 150 à 500 C/h, avec un écart thermique de moins de 40 C sur
l'ensemble du plateau refroidi à partir de sa température d'homogénéisation.
On entend par écart thermique l'écart maximum entre températures relevées sur
l'ensemble du volume du plateau, ou encore DTmax.
Avantageusement, le refroidissement est effectué en au moins deux phases :
Une première phase d'aspersion au cours de laquelle le plateau est refroidi
dans une
enceinte comportant des rampes de buses ou tuyères d'aspersion de liquide ou
brouillard de refroidissement sous pression, réparties en parties haute et
basse de
ladite cellule, de façon à asperger les deux grandes faces, supérieure et
inférieure
dudit plateau,
Une phase complémentaire d'uniformisation thermique à l'air calme, dans un
tunnel
aux parois intérieures réflectives, d'une durée de 2 à 30 minutes selon le
format du
plateau et la valeur du refroidissement.
Typiquement, cette durée est d'environ 30 min pour un refroidissement total de
l'ordre de 150 C à partir de sensiblement 500 C, et de quelques minutes pour
un
refroidissement de l'ordre de 30 C.
Selon une variante de l'invention, les phases d'aspersion et uniformisation
thermique
sont répétées, dans le cas de plateaux très épais et pour un refroidissement
moyen
global supérieur à 80 C.
Le plus couramment, le liquide de refroidissement, y compris dans un
brouillard, est
de l'eau, et de préférence de l'eau désionisée.
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Selon un mode de réalisation particulière, la tête et le pied du plateau, soit
typiquement les 300 à 600 mm aux extrémités, sont moins refroidis que le reste
du
plateau, de façon à maintenir une tête et un pied chaud, configuration
favorable à
l'engagement du plateau lors d'un laminage à chaud réversible.
5 A cette
fin, le refroidissement de la tête et du pied peut être modulé soit par la
mise
en route ou l'extinction des rampes de buses ou tuyères d'aspersion, soit par
la
présence d'écrans empêchant ou réduisant l'aspersion par lesdites buses ou
tuyères.
Par ailleurs, les phases d'aspersion, et pas d'uniformisation thermique,
peuvent être
répétées, et la tête et le pied du plateau, soit typiquement les 300 à 600 mm
aux
extrémités, refroidis différemment que le reste du plateau au moins dans une
des
cellules d'aspersion.
Selon une version conforme à cette dernière option, la première passe
d'aspersion est
effectuée avec un talon nul, soit un arrosage continu du plateau tel qu'en
figure 14,
suivie, sans première phase d'uniformisation thermique, d'une seconde passe
d'aspersion avec un talon d'un couple de rampes tel qu'en figure 12,
permettant ainsi
de réduire notablement la durée de la phase finale d'uniformisation nécessaire
à
l'équilibrage thermique du plateau.
Selon une variante préférée de l'invention, l'uniformité thermique
longitudinale du
plateau est améliorée par un mouvement relatif du plateau par rapport au
système
d'aspersion : défilé ou va et vient du plateau face à un système d'aspersion
fixe ou
inversement, déplacement des buses ou tuyères par rapport au plateau.
Typiquement, le plateau défile horizontalement dans la cellule d'aspersion et
sa
vitesse de défilement est supérieure ou égale à 20 mm/s, soit 1.2 m/min.
Préférentiellement encore, l'uniformité thermique transversale du plateau est
assurée
par modulation de l'aspersion dans la largeur du plateau par
allumage/extinction de
buses ou tuyères, ou écrantage de ladite aspersion.
L'invention a également pour objet une installation pour mise en oeuvre du
procédé
tel que ci-dessus, comportant une cellule d'aspersion munie de rampes de buses
ou
tuyères d'aspersion de liquide ou brouillard de refroidissement sous pression
disposées en parties haute et basse de ladite cellule, de façon à asperger les
deux
grandes faces, supérieure et inférieure dudit plateau,
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Un tunnel d'uniformisation à l'air calme au sortir de la cellule d'aspersion,
dans un
tunnel aux parois intérieures et au toit en une matière intérieurement
réflective,
autorisant une uniformisation thermique du plateau par diffusion de la chaleur
dans
ledit plateau, le coeur en réchauffant les surfaces.
Selon un mode de réalisation préférentielle :
Les buses de liquide ou brouillard de refroidissement génèrent des sprays ou
jets à
cône plein dont l'angle est compris entre 45 et 60
Les axes des buses inférieures sont orientés normalement à la surface
inférieure
De préférence, les rampes de buses supérieures sont appariées dans le sens de
défilement du plateau. Dans une même paire, les rampes supérieures sont
inclinées
de telle sorte que :
- Les jets des deux rampes de buses supérieures appariées soient orientés
en
opposition l'un de l'autre.
- Les jets présentent une bordure normale à la surface supérieure du
plateau
- Le recouvrement des deux jets soit compris entre le 1/3 et les 2/3 de la
largeur de
chaque jet, et préférentiellement sensiblement de la moitié
- L'enveloppe des deux jets ainsi formée constitue un profil en M.
Les paires de rampes de buses supérieures et inférieures sont placées
sensiblement en
vis-à-vis, de façon à ce que les longueurs d'aspersion supérieures et
inférieures soient
sensiblement égales et en vis-à-vis.
Du fait de l'appariement des buses supérieures en opposition et du profil en M
des
jets, la longueur d'aspersion est contrôlée de façon à favoriser l'évacuation
latérale
du liquide ou brouillard aspergé en face supérieure, en le guidant vers les
rives du
plateau où il s'évacue sous forme d'une cascade sans toucher les petites faces
du
plateau autorisant ainsi un refroidissement très homogène en température dans
les
sens longitudinal et transversal du plateau.
Quant au liquide seul ou contenu dans le brouillard de refroidissement, il
peut être
récupéré, typiquement dans un conteneur situé sous l'installation, recyclé et
thermiquement contrôlé.
Selon un mode de mise en oeuvre perfectionnée, l'ensemble de l'installation,
cellule
d'aspersion et tunnel d'uniformisation, est piloté par un modèle thermique
codé sur
automate, le modèle thermique déterminant les réglages de l'installation en
fonction
de la température estimée par mesure thermique en début de cellule d'aspersion
et en
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fonction de la température cible de sortie, en général la température de début
de
laminage à chaud.
Selon un mode de réalisation avantageux, la mise en oeuvre de l'installation,
comporte les étapes suivantes :
- Centrage du plateau, à l'entrée de l'installation
- Mesure de la température de surface supérieure du plateau
- Calcul par l'automate, à l'aide du modèle thermique, des réglages de la
cellule
d'aspersion en fonction de la température cible d'entrée et de la température
cible de
sortie, c'est dire du refroidissement cible du plateau, incluant la
détermination du
nombre de rampes activées, du nombre de buses ouvertes en rives, de la vitesse
de
défilement du plateau dans la cellule d'aspersion, des démarrages et arrêts
des
rampes d'aspersion, et du temps de maintien dans le tunnel d'uniformisation
- Défilement du plateau dans la cellule d'aspersion, arrosage supérieur et
inférieur
suivant les calculs de l'automate
- Transfert du plateau de la cellule d'aspersion vers le tunnel
d'uniformisation
- Maintien du plateau dans le tunnel d'uniformisation pendant une durée
déterminée
par l'automate.
Description des figures
La figure 1 représente un schéma de principe du procédé selon l'invention en
une passe. Le plateau est défourné du four d'homogénéisation 1 à sa
température
d'homogénéisation. Il est transféré vers la machine de refroidissement, centré
latéralement puis sa température de surface est mesurée (2) par thermocouple
de
surface, par contact ou à l'aide d'un pyromètre infrarouge mais qui sera moins
précis.
Le modèle thermique détermine le réglage de la cellule d'aspersion 3 (nombre
de
couples de rampes activées et vitesse de défilement du plateau). Puis le
plateau est
traité dans la cellule d'aspersion. A sa sortie, il est sec et transféré (4)
vers un tunnel
d'uniformisation 5 pour une durée déterminée par modèle thermique ou selon
l'amplitude du refroidissement subi. A l'issue, il est transféré vers le
laminoir à
chaud 6.
La figure 2 représente un schéma de principe du procédé selon l'invention en
deux passes ou plus. Lorsque l'amplitude cible de refroidissement est
supérieure à
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100 C, un seul passage dans la machine de refroidissement peut être
insuffisant.
Dans ce cas, le plateau est refroidi une première fois dans la première
cellule
d'aspersion 3. Puis, avec ou sans passage dans le tunnel d'uniformisation
intermédiaire 5, le plateau est transféré dans la seconde machine de
refroidissement
composée des éléments 6, 7 et 8, où il subit un cycle complet : cellule
d'aspersion
puis obligatoirement tunnel d'uniformisation 8. La durée de la dernière phase
d'uniformisation dépend de la diffusivité thermique du matériau, donc de
l'alliage,
de l'amplitude cible de refroidissement, et de la sévérité de l'uniformité
thermique
cible avant laminage à chaud 9.
Le refroidissement multi passes peut également être réalisé avec une seule
machine,
par passages successifs.
La figure 3 est un plan schématique de la machine d'aspersion, vue de profil,
le plateau défilant de gauche à droite. Elle illustre la disposition des jets
de liquide ou
brouillard aspergé sur le plateau, vue de profil, en face supérieure et en
face
inférieure. Les rampes d'arrosage supérieures et inférieures sont appariées et
en vis à
vis par paire, pour garantir une bonne uniformité de refroidissement dans
l'épaisseur
du plateau. Les rampes supérieures appariées sont orientées en opposition, ce
qui
garantit une évacuation du liquide ou brouillard aspergé transversalement au
plateau.
Les axes des buses inférieures sont orientés normalement à la surface
inférieure du
plateau, le liquide s'écoule par gravité. Des rampes d'air comprimé (1 à 4)
encadrent
les extrémités de la cellule d'aspersion pour éviter tout ruissellement
résiduel de
liquide sur le plateau en dehors de ladite cellule.
La figure 4 illustre l'impact des jets de liquide ou brouillard supérieurs, en
vue de dessus du plateau. On note la concentration du débit surfacique de
liquide ou
brouillard à l'intersection des jets en opposition. Ce schéma d'arrosage est
favorable
à l'évacuation du liquide le long de cette ligne transverse à fort débit
surfacique.
La figure 5 représente la cinétique thermique d'un plateau de 600 mm,
calculée dans le cas d'un refroidissement moyen de 40 C, en une passe dans la
machine d'aspersion, pour un alliage du type AA3104 selon les désignations
définies
par l' Aluminum Association dans les Registration Record Series qu'elle
publie régulièrement. Y figurent les évolutions des températures minimum Tmin,
maximum Tmax et moyenne Tmoy dans le plateau, ainsi que de l'écart maximum de
température dans tout le volume du plateau, au cours du temps (DTmax).
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La figure 6 représente la cinétique thermique d'un plateau de 600 mm,
calculée dans le cas d'un refroidissement moyen de 130 C, en deux passes dans
la
machine d'aspersion, pour un alliage du type AA6016 selon les désignations
définies
par l' Aluminum Association dans les Registration Record Series qu'elle
publie régulièrement. Y figurent de la même façon les évolutions des
températures
minimum Tmin, maximum Tmax et moyenne Tmoy dans le plateau, ainsi que de
l'écart maximum de température dans tout le volume du plateau, au cours du
temps
(DTmax).
Les figures 7 à 9 illustrent trois modes ou stratégies d'arrosage en sens
travers
de la machine d'aspersion, avec représentation de la position des buses sur
les
rampes d'aspersion, la machine d'aspersion étant vue de face dans tous les cas
:
Figure 7 : Profil thermique uniforme dans la largeur du plateau
Figure 8: Profil thermique à rives froides, créé par un surplus d'arrosage sur
les rives du plateau
Figure 9: Profil thermique à rives chaudes, créé par un déficit d'arrosage sur
les rives du plateau.
La figure 10 présente deux modes ou stratégies de largeur d'arrosage d'un
même plateau en alliage d'aluminium de 600 mm d'épaisseur et de 1700 mm de
largeur, à gauche un profil thermique dans le sens travers à rives froides
avec 11
buses en action, à droite un profil thermique à rives chaudes avec 9 buses en
action.
La figure 11 est la conséquence sur le profil thermique (température en C en
fonction de la position dans le sens travers, à partir de l'axe du plateau, en
m) de ces
deux modes d'aspersion.
Les Figures 12 à 14 illustrent trois exemples de modes ou stratégies de
déclenchement de l' arrosage.
En effet, le profil thermique dans le sens long du plateau est maitrisé par:
L'absence ou le très faible ruissellement dans le sens long du plateau, grâce
au
montage des rampes supérieures en opposition,
Le déclenchement et l'arrêt de l'arrosage de chaque couple de rampes à une
position
précise du plateau : c'est la notion de talon d'arrosage.
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La figure 12 correspond à une gestion du profil thermique dans le sens long à
extrémités chaudes, la figure 13 à extrémités tièdes et la figure 14 à
extrémités
froides (avec un ruissellement en 1).
La Figure 15 illustre les profils thermiques longitudinaux (température en C
5 en
fonction de la position dans la longueur L du plateau en m) pour les trois
stratégies de gestion thermique des extrémités du plateau précitées. Dans cet
exemple, le plateau est en alliage du type AA6016, d'épaisseur 600 mm, son
refroidissement moyen est de 100 C en deux passes, et le temps en caisson
d'uniformisation thermique est de 10 min.
10 Les
Figures 16 à 18 illustrent le champ thermique, en visualisation 3D, du
même exemple, en entrée de laminage à chaud, pour les trois stratégies de
gestion
thermique des extrémités du plateau précitées, la figure 16 à extrémités
chaudes, la
figure 17 à extrémités tièdes et la figure 18 à extrémités froides.
On voit que la stratégie de déclenchement de l'arrosage permet clairement de
maitriser le profil thermique longitudinal du plateau.
La Figure 19 illustre le champ thermique d'un plateau en alliage du type
AA6016, de 600 mm d'épaisseur, refroidi d'environ 50 C en une passe dans la
machine d'aspersion réglée avec un talon d'arrosage d'une seule rampe aux
extrémités du plateau, conformément à la figure 13. Ce réglage conduit à un
champ
thermique très uniforme avec des extrémités légèrement plus chaudes, ce qui
est
favorable au laminage.
Description de l'invention
L'invention consiste essentiellement dans un procédé de refroidissement à
l'aide
d'un liquide ou brouillard de refroidissement d'une plaque ou d'un plateau de
laminage d'alliage d'aluminium, de 30 à 150 C en quelques minutes, c'est-à-
dire à
une vitesse de refroidissement moyenne comprise entre 150 et 500 C/heure.
Il est constitué principalement de deux phases :
Une première phase d'aspersion du plateau à l'aide d'un liquide ou brouillard
de
refroidissement, typiquement au défilé
Une deuxième phase d'uniformisation thermique du plateau.
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Pendant la première phase d'aspersion, le plateau est refroidi dans une
enceinte
comportant des buses ou tuyères d'aspersion de liquide ou brouillard
refroidissant
sous pression, typiquement de l'eau et de préférence désionisée.
Les buses ou tuyères sont réparties en parties haute et basse de ladite
cellule, de
façon à asperger les deux grandes faces, supérieure et inférieure, du plateau.
L'option d'un procédé au défilé permet de limiter les risques de points chauds
liés
aux contacts entre le plateau et son support, en général constitué de rouleaux
cylindriques ou coniques.
Le refroidissement moyen du plateau (A.Tmoy plateau) est contrôlé par la durée
d'aspersion vue par chaque section du plateau.
Durant cette phase, le plateau est thermiquement très hétérogène dans son
épaisseur,
du fait d'une valeur du nombre de Biot élevée.
L'homogénéité de refroidissement dans la largeur du plateau est maitrisée par:
a) Le contrôle de la largeur d'arrosage dans le sens travers du plateau,
par le
nombre de buses activées ou l'utilisation d'écrans
b) Une
méthode d'aspersion favorisant l'évacuation latérale de l'eau aspergée en
face supérieure. En effet, le liquide de refroidissement est guidé vers les
rives du
plateau et s'évacue sous forme d'une cascade sans toucher les petites faces
dudit
plateau. Le refroidissement du plateau est de ce fait très homogène. Cette
méthode
consiste en fait à apparier deux rampes de buses, placées en opposition, comme
le
montrent notamment les figures 3 et 4.
L'homogénéité de refroidissement dans la longueur du plateau est maitrisée
par:
c) Le contrôle du début et de la fin de l'aspersion par déclenchement des
rampes
d'aspersion à la position souhaitée sur le plateau ou, à nouveau, par
l'utilisation
d'écrans. Ainsi la tête et le pied du plateau peuvent ne pas être aspergés. On
obtient
alors un plateau avec une tête et un pied chaud, ce qui est favorable à son
engagement lors du laminage réversible à chaud
d) La forte réduction du ruissellement dans le sens long du plateau. Ce
très
faible ruissellement est obtenu grâce à la caractéristique b) ci-dessus de
l'invention,
favorisant l'évacuation latérale du liquide de refroidissement aspergé en face
supérieure du plateau.
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La phase d'aspersion est donc conçue pour limiter les hétérogénéités
thermiques dans
les trois directions du plateau. L'invention permet tout particulièrement de
maîtriser
les profils thermiques dans le sens travers et dans le sens long du plateau,
ce qui est
très appréciable puisque des éventuels gradients thermiques le long de ces
deux
grandes dimensions seraient difficiles à résorber dans un court délai.
Suit la phase d'uniformisation thermique du plateau :
Après aspersion, le plateau est maintenu quelques minutes dans une
configuration de
faible échange de chaleur avec son environnement. Ces conditions thermiques
permettent l'uniformisation thermique du plateau, en quelques minutes pour les
refroidissements de moins de 30 C et en environ 30 minutes maximum pour des
refroidissements de 150 C. Cette phase est essentielle à l'atteinte des
spécifications
d'uniformité thermique demandées. Elle permet d'atteindre un écart thermique
DTmax de moins de 40 C sur un plateau de grandes dimensions.
L'invention peut également être adaptée à des valeurs absolues de
refroidissements
élevées. Ainsi, lorsque le refroidissement moyen du plateau souhaité est
supérieur à
typiquement 80 C, il est possible de cycler plusieurs fois l'ensemble des
phases
aspersion et uniformisation , en réduisant à chaque cycle d' aspersion-
uniformisation la température moyenne d'un plateau très épais.
Le procédé ainsi décrit assure un refroidissement rapide et maîtrisé d'une
plaque
épaisse, notamment un plateau de laminage, en alliage d'aluminium. Il est par
ailleurs robuste et évite les risques connus de sur-refroidissements locaux.
La machine, ou installation de refroidissement, elle-même est constituée d'au
moins
une cellule d'aspersion, typiquement horizontale au défilé, d'une part et,
d'autre part,
d'au moins un tunnel d'uniformisation thermique.
La cellule d'aspersion permet la mise en oeuvre de la phase 1 du procédé
décrit plus
haut.
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Les étapes de traitement du plateau dans cette machine ou installation sont
les
suivantes :
1) Centrage du plateau, à l'entrée de la machine
2) Mesure de la température de surface supérieure du plateau
3) Calcul par l'automate, à l'aide du modèle thermique, des réglages de la
cellule d'aspersion en fonction de la température d'entrée et de la
température cible
de sortie, c'est à dire du refroidissement cible du plateau, incluant la
détermination
du nombre de rampes de buses activées, du nombre de buses ouvertes en rives,
de la
vitesse de défilement du plateau dans la cellule d'aspersion, des démarrages
et arrêts
des rampes d'aspersion, du temps de maintien dans le tunnel d'uniformisation
4)
Défilement du plateau dans la cellule d'aspersion, arrosage supérieur et
inférieur suivant les calculs de l'automate.
La cellule d'aspersion est constituée de rampes munies de buses ou tuyères de
distribution sous pression du liquide ou brouillard de refroidissement.
Dans le cas où ce dernier est de l'eau, celle-ci est idéalement desionisée ou
du moins
très propre et très peu minéralisée, afin d'éviter l'encrassement des buses et
pour
assurer la stabilité du transfert de chaleur entre l'eau et le plateau. La
machine
d'aspersion peut avantageusement, pour des raisons d'économie notamment,
fonctionner en cycle fermé, avec par exemple un bassin récupérateur placé sous
la
machine d'aspersion.
Les buses de liquide ou brouillard de refroidissement choisies génèrent des
sprays
ou jets à cône plein, dont l'angle est compris entre 45 et 60 (dans l'exemple
: buses
à cône plein à 60 d'angle, de marque LECHLER). Les axes des buses des rampes
inférieures sont orientés normalement à la surface inférieure. Les rampes
supérieures
sont appariées. Dans une même paire de rampes supérieures, les rampes sont
inclinées de telle sorte que :
- Les jets des deux rampes soient orientés en opposition l'un de l'autre
- Les jets présentent une bordure normale à la surface supérieure du
plateau
- Le recouvrement des deux jets soit compris entre le 1/3 et les 2/3 de la
largeur
du jet, et préférentiellement sensiblement de la moitié
- L'enveloppe des deux jets ainsi formée constitue donc un profil en M
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Les paires de rampes de buses supérieures et inférieures sont placées
sensiblement en vis-à-vis, de façon à ce que les longueurs d'aspersion
supérieures et
inférieures soient sensiblement égales et en vis-à-vis.
Dans le cas d'un traitement au défilé, la vitesse de défilement du plateau est
supérieure ou égale à 20 mm/s, soit 1.2 m/min.
Au sortir de la cellule d'aspersion, le plateau est transféré, par exemple à
l'aide de
chariots automatiques, dans un ou plusieurs tunnel(s) d'uniformisation.
L'objectif du
tunnel est de réduire au maximum les transferts thermiques entre le plateau et
l'air,
ce qui est favorable à une meilleure uniformisation thermique du plateau.
Cette
uniformisation thermique a lieu par diffusion de la chaleur dans le plateau,
le coeur
réchauffant les surfaces du plateau.
Le tunnel d'uniformisation est constitué de parois verticales et d'un toit
dans une
matière idéalement réflective côté intérieur du tunnel.
11 évite les courants d'air autour du plateau, assurant l'absence de transfert
de chaleur
par convection forcée. Par ailleurs, il réduit les transferts de chaleur par
convection
naturelle et limite les transferts radiatifs si les parois sont réflectives.
Enfin, la machine ou installation de refroidissement composée de la cellule
d'aspersion et du tunnel d'uniformisation, est pilotée par un modèle thermique
codé
sur l'automate de la machine. Le modèle thermique détermine les réglages de la
machine en fonction de la température en début de cellule d'aspersion, ou
température d'entrée, et en fonction de la température cible de sortie, en
général la
température de laminage.
Exemples
Exemple 1 : Refroidissement uniforme de 40 C d'un plateau en alliage du
type AA3104.
La figure 5 illustre le refroidissement de 40 C d'un plateau en alliage du
type
AA3104 selon les désignations définies par l' Aluminum Association dans les
Registration Record Series qu'elle publie régulièrement. L'épaisseur du
plateau
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est de 600 mm, sa largeur de 1850 mm et sa longueur de 4100 mm. Le plateau
sort
du four d'homogénéisation à 600 C.
Le procédé de refroidissement du plateau est le procédé à une passe, décrit en
figure
1.
5 Le plateau est transféré vers la machine de refroidissement en 180 s. Ce
temps de
transfert comprend :
- le déplacement du plateau entre la sortie du four et l'entrée de la
machine de
refroidissement
- le centrage latéral du plateau
10 - la mesure de la température de surface supérieure du plateau
- le temps de calcul par l'automate des réglages de la machine de
refroidissement
(cellule d'aspersion et tunnel).
Puis le plateau défile dans la cellule d'aspersion, chaque point du plateau
hors
extrémités (tête et pied) subit un arrosage durant 46 secondes. Le débit
surfacique
15 d'aspersion est de 500 1/(min.m2) sur les deux grandes faces du plateau.
Le talon
d'arrosage est réglé à un couple de rampe, comme décrit en figure 12. A sa
sortie de
la cellule d'aspersion, le plateau est sec et transféré en 30 s vers un tunnel
d'uniformisation pour une durée déterminée par le modèle thermique codé dans
l'automate, ici de 300 s, soit 5 minutes. A l'issue, le plateau est transféré
vers le
laminoir à chaud, avec une uniformité thermique meilleure que 40 C sur le
plateau
complet.
La température de surface du plateau descend à environ 320 C, tandis que le
coeur du
plateau reste quasiment isotherme durant la phase d'aspersion. Puis, par
diffusion de
la chaleur entre le coeur et la surface, le coeur cède de la chaleur à la
surface, le
plateau s'uniformise thermiquement.
L'écart thermique dans le plateau (DTmax) est maximal à la fin de la phase
d'aspersion, sa valeur est de 280 C environ pour cette configuration. Il se
réduit
rapidement dès lors que l'aspersion du plateau cesse : en 6 minutes d'attente
(transfert puis uniformisation dans le tunnel), l'écart thermique DTmax est
réduit à
moins de 40 C.
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Exemple 2: Refroidissement uniforme de 135 C d'un plateau en alliage du
type AA6016.
La figure 6 illustre le refroidissement de 135 C d'un plateau en alliage du
type
AA6016. L'épaisseur du plateau est de 600 mm, sa largeur de 1850 mm et sa
longueur de 4100 mm. Le plateau sort du four d'homogénéisation à 530 C.
Le procédé de refroidissement du plateau est le procédé à deux passes, décrit
en
figure 2.
Le plateau est transféré vers la machine de refroidissement en 100 s. Ce temps
de
transfert comprend :
- le déplacement du plateau entre la sortie du four et l'entrée de la
machine de
refroidissement
- le centrage latéral du plateau
- la mesure de la température de surface supérieure du plateau
- le temps de calcul par l'automate des réglages des machines de
refroidissement.
Puis le plateau défile dans la cellule d'aspersion, chaque point du plateau
hors
extrémités (tête et pied) subit un arrosage durant 51 secondes. Le débit
surfacique
d'aspersion est de 800 1/(min.m2) sur les deux grandes faces du plateau. Le
talon
d'arrosage est réglé à une rampe, comme décrit en figure 13. A sa sortie de la
cellule
d'aspersion, le plateau est transféré en 60 s vers la seconde cellule
d'aspersion sans
passer, dans cet exemple, par le tunnel d'uniformisation intermédiaire
optionnel. Le
plateau subit alors un second arrosage, identique au premier : chaque point du
plateau hors extrémités subit un arrosage de 51 secondes, au débit surfacique
de 800
1/(min.m2). A sa sortie de la seconde cellule d'aspersion, le plateau est
transféré vers
le tunnel d'uniformisation en 30 secondes. Le plateau attend plusieurs minutes
dans
le tunnel d'uniformisation. A l'issue, le plateau est transféré vers le
laminoir à chaud,
avec une uniformité thermique meilleure que 40 C sur le plateau complet.
La température de surface du plateau descend à environ 60 C. Le coeur du
plateau
reste quasiment isotherme durant la première phase d'aspersion puis refroidit
au
cours de la seconde phase d'aspersion. Puis, par diffusion de la chaleur entre
le coeur
et la surface, le coeur cède de la chaleur à la surface, le plateau
s'uniformise
thermiquement.
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L'écart thermique dans le plateau (DTmax) est maximal à la fin de chacune des
phases d'aspersion, sa valeur est de 470 C environ pour cette configuration.
Il se
réduit rapidement dès lors que l'aspersion du plateau cesse : l'écart
thermique
DTmax du plateau est de 55 C après 13 minutes d'attente dans le tunnel et
devient
inférieur à 40 C après 23 minutes passées dans le tunnel.
Exemple 3 : Refroidissement uniforme de 125 C d'un plateau en alliage du
type AA6016.
L'épaisseur du plateau est de 600 mm, sa largeur de 1850 mm et sa longueur de
4100
mm. Le plateau sort du four d'homogénéisation à 530 C.
Le procédé de refroidissement du plateau est le procédé à deux passes, décrit
en
figure 2.
Le plateau est transféré vers la machine de refroidissement en 100 s. Ce temps
de
transfert comprend :
- le déplacement du plateau entre la sortie du four et l'entrée de la
machine de
refroidissement
- le centrage latéral du plateau
- la mesure de la température de surface supérieure du plateau
- le temps de calcul par l'automate des réglages des machines de
refroidissement.
Puis le plateau défile dans la cellule d'aspersion, chaque point du plateau
subit un
arrosage durant 51 secondes. Le débit surfacique d'aspersion est de 500
1/(min.m2)
sur les deux grandes faces du plateau. Le talon d'arrosage est nul, comme
décrit en
figure 14. Le plateau est donc arrosé entièrement de manière identique, ce qui
génère
un profil thermique longitudinal à extrémités froides. A sa sortie de la
cellule
d'aspersion, le plateau est transféré en 60 s vers la seconde cellule
d'aspersion sans
passer, dans cet exemple, par le tunnel d'uniformisation intermédiaire
optionnel. Le
plateau subit alors un second arrosage, différent du premier. Le plateau, mais
cette
fois-ci hors extrémités, subit un second arrosage de 51 secondes, au débit
surfacique
de 500 1/(min.m2). Le talon d'arrosage est d'un couple de rampes, tel que
décrit
figure 12. Ce réglage tend à redresser le profil thermique à extrémités
froides,
générant ainsi un profil thermique longitudinal presque plat au sortir de la
seconde
cellule d'aspersion. A sa sortie de la seconde cellule d'aspersion, le plateau
est
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transféré vers le tunnel d'uniformisation en 30 secondes. Le plateau n'attend
que 10
minutes dans le tunnel d'uniformisation. A l'issue, le plateau est transféré
vers le
laminoir à chaud, avec une uniformité thermique meilleure que 40 C sur le
plateau
complet.
L'exemple 3 montre que le choix judicieux des talons d'arrosage permet de
réduire
notablement la durée d'uniformisation après aspersion. Pour un procédé de
refroidissement à plusieurs passes, le choix des talons peut être différent
d'une passe
à l'autre. Pour un procédé de refroidissement en 2 passes, le talon choisi en
première
passe gagne à être contraire au talon choisi en seconde passe. De manière
optimisée
et pour un refroidissement à 2 passes, une première passe avec un talon nul
(arrosage
continu du plateau) suivie d'une seconde passe avec un talon d'un couple de
rampes
permet de réduire notablement la durée d'uniformisation nécessaire à
l'équilibrage
thermique du plateau.
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