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WO 2017/129391 PCT/EP2017/050379
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DISPOSITIF POUR LA STABILISATION HYDRODYNAMIQUE D'UNE BANDE
METALLIQUE EN DEFILEMENT CONTINU
Objet de l'invention
[0001] La présente invention se rapporte à un dispositif
hydrodynamique
dissipatif permettant de stabiliser une bande métallique en défilement continu
passant
dans des essoreurs à l'issue d'une opération de revêtement au trempé.
[0002] L'invention concerne plus particulièrement le domaine de la
galvanisation au trempé à chaud d'une bande d'acier en mouvement continu. La
stabilisation hydrodynamique de la bande est effectuée à la sortie du bain de
métal
liquide, dans le voisinage du dispositif d'essorage.
Arrière-plan technologique et état de la technique
[0003] On connaît la technique dite de "revêtement au trempé", qui
constitue
une méthode à la fois simple et efficace pour déposer un revêtement à la
surface d'un
objet. Selon cette technique, après une éventuelle préparation de la surface,
on
immerge l'objet à revêtir dans un bain comprenant le produit que l'on veut
déposer sur
ledit objet. L'objet est ensuite extrait du bain avec enlèvement de l'excès de
liquide et
le revêtement est rendu solide, par exemple par séchage, solidification,
polymérisation,
etc.
[0004] L'une des applications les plus répandues de cette technique
est le
revêtement de pièces en acier telles que bandes ou fils au moyen d'un métal
tel que le
zinc qui lui servira ensuite de protection contre la corrosion.
[0005] Après passage dans le bain de métal liquide, la pièce revêtue subit
l'opération d'essorage. Cette opération est l'une des plus importantes dans le
procédé
de revêtement au trempé car elle permet la maîtrise de l'épaisseur finale de
revêtement.
D'une part, l'essorage doit être homogène sur toute la surface du produit,
c'est-à-dire
la largeur pour une bande et la circonférence pour un fil, et sur toute la
longueur du
produit à revêtir. En même temps, cette opération doit limiter strictement le
dépôt à la
valeur visée, que l'on exprime d'habitude soit en termes d'épaisseur déposée ¨
typiquement de 3 à 50 pm ¨, soit en poids de la couche déposée par unité de
surface
¨ typiquement en gr/m2.
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[0006] Actuellement, l'essorage est généralement réalisé au moyen de
lames
ou jets de gaz, linéaires dans le cas des bandes et circulaires dans le cas de
fils, issus
de fentes et dirigés le plus souvent perpendiculairement à la surface à
traiter. Les lames
de gaz agissent comme des "racleurs pneumatiques" et présentent l'avantage de
fonctionner sans contact mécanique et donc sans risque de griffer l'objet
traité. De telles
lames sont appelées "essoreurs à gaz" ou encore "couteaux d'essorage". Le gaz
sous
pression mis en oeuvre est soit de l'air, soit un gaz neutre tel que l'azote
dans les
applications les plus délicates comme le traitement des bandes d'acier
destinées à la
fabrication de pièces visibles pour la carrosserie d'automobiles.
[0007] L'épaisseur finale du revêtement dépend notamment de la vitesse de
défilement de la bande, de la distance entre la bande et les couteaux
d'essorage et,
enfin, de l'action exercée par le jet de gaz comprimé sur la bande.
[0008] Or, il est connu que lors du passage de la bande sur le
rouleau de fond,
celle-ci prend la forme d'une tuile. Cette déformation plastique doit être
corrigée à l'aide
d'un second rouleau, dit décambreur, qui imprime à la bande une déformation
plastique
inverse. Accessoirement, un troisième rouleau, dit stabilisateur, permet de
fixer la ligne
de passe indépendamment du décambrage. Cependant, un mauvais contrôle de
l'imbrication des rouleaux amène une déformation résiduelle et donc une
planéité
dégradée.
[0009] D'autres phénomènes peuvent également altérer la planéité de la
bande.
Il peut s'agir d'une hétérogénéité de qualité de l'acier de base, de
conditions de
laminage dégradées ou encore de conditions de chauffage, de maintien en
température
et de refroidissement inhomogènes lors du cycle de recuit de la bande, avant
son entrée
dans le bain de métal liquide.
[0010] En outre, certaines caractéristiques de l'installation tels que la
présence
de dispositifs de refroidissement avant le rouleau supérieur, l'excentricité
de certains
rouleaux, l'usure des roulements ou celle des paliers des rouleaux immergés,
etc.,
induisent des vibrations de la bande passant dans les essoreurs.
[0011] Au final, ces défauts de planéité et ces vibrations provoquent
des
variations d'épaisseur du revêtement qui affectent la qualité du produit et
imposent une
surconsommation de zinc pour garantir une épaisseur minimale de revêtement au
client.
[0012] D'autre part, pour une épaisseur de revêtement donnée, il est
nécessaire
d'augmenter la pression d'essorage lorsque la vitesse de bande augmente. Or il
est
connu que le déplacement de la bande ne peut dépasser une vitesse critique au-
delà
de laquelle le phénomène d'éclaboussures (ou splashing , en anglais)
apparaît : des
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gouttelettes sont arrachées à la vague d'essorage et projetées à la surface du
bain et
sur l'équipement. Il s'ensuit une dégradation importante de la qualité du
produit ainsi
qu'une augmentation considérable du volume d'écume à la surface du bain.
[0013] Pour pallier ces problèmes, des constructeurs ont proposé de
recourir à
des dispositifs pneumatiques ou électromagnétiques de décambrage et de
stabilisation
de la bande ou d'autres dispositifs encore permettant d'éviter le splashing.
On a
également proposé de monter des rouleaux immergés sur paliers ou roulements en
matériau céramique.
[0014] Le document JP 56 153136 A propose de disposer au moins une
paire
de stabilisateurs ou amortisseurs pneumatiques à des positions telles que l'on
diminue
la longueur vibrante entre le rouleau de fond et le rouleau supérieur, qui
sont des points
fixes pour la bande.
[0015] Le document JP 56 084452 A propose d'utiliser un stabilisateur
pneumatique dans lequel une partie du fluide injecté s'écoule le long de la
bande en
direction opposée de celui provenant des essoreurs.
[0016] Le document JP 2005298908 A propose d'éviter le splashing en
combinant un coussin pneumatique avec un racleur, où le gaz se mêle au liquide
pour
passer sous le racleur.
[0017] L'objectif étant de stabiliser la bande dans les essoreurs, il
est
nécessaire que ce type de stabilisateur se situe dans leur voisinage,
impliquant de
souffler un gaz sous pression sur un revêtement d'épaisseur définitive mais
non encore
solidifié, ce qui risque d'affecter l'aspect du produit final. De plus, ces
dispositifs ne
garantissent pas la planéité de la bande au droit des essoreurs.
[0018] Encore d'autres dispositifs de stabilisation hydrodynamique
ont été
proposés, comme dans le document WO 03/054244 Al. Cependant, ce procédé
nécessite l'injection du métal liquide dans un conduit à l'aide d'une pompe.
De plus, la
largeur du conduit par lequel la bande s'engage ne s'adapte pas nécessairement
au
format de la bande, au débit de revêtement ou à la vitesse de défilement de la
bande.
[0019] Par ailleurs, on connaît également un certain nombre de
méthodes de
contrôle ou suppression des vibrations affectant une bande métallique en
défilement
continu basées sur la mise en oeuvre de moyens électromagnétiques (voir par
exemple
les documents JP 10 298728 A, JP 5 001362 A, JP 9 143652 A, JP 10 87755 A,
JP 8 010847 A).
[0020] Les méthodes électromagnétiques sont basées sur le principe
suivant.
Des conducteurs dans lesquels circule un courant de fréquence élevée sont
installés
des deux côtés de la bande d'acier. Ils induisent dans la bande des courants
en
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opposition de phase, les courants de Foucault. L'interaction entre les
courants
inducteurs et les courants de Foucault induits génère une pression magnétique
tendant
à stabiliser la bande d'acier. Une autre solution consiste à utiliser des
électroaimants.
Cependant, les méthodes de ce type impliquent un contrôle supplémentaire à
cause
de la force d'attraction magnétique, qui tend à rendre la bande instable. Par
ailleurs, il
est connu que les courants de haute fréquence mis en oeuvre provoquent une
élévation
de température dans la bande, ce qui est contraire à ce que l'on recherche
dans cette
étape du procédé.
[0021] L'enseignement de ces diverses techniques ne permet pas de
s'affranchir totalement des vibrations ou du manque de planéité de la bande,
qui, même
amoindris, subsistent généralement au droit des couteaux d'essorage. C'est
donc à cet
endroit qu'il convient d'agir mais sans altérer la formation du revêtement.
Buts de l'invention
[0022] La présente invention a pour but de proposer une solution au
problème
de stabilisation d'une bande métallique en défilement continu qui permette de
s'affranchir des inconvénients de l'état de la technique.
[0023] En particulier, la présente invention vise à stabiliser et/ou
amortir les
vibrations de la bande à la sortie d'un bain de métal liquide grâce à des
moyens
hydrodynamiques qui permettent de dissiper l'énergie de vibration générée dans
la
bande par l'installation.
[0024] De plus, l'invention a encore pour but d'éviter, comme suggéré
dans l'art
antérieur, la mise en oeuvre de jets de gaz supplémentaires à proximité
immédiate des
essoreurs qui seraient susceptibles d'affecter l'aspect du produit final.
[0025] L'invention a également pour but de décambrer la bande, et de
manière
plus générale d'améliorer la planéité de la bande à proximité même de
l'endroit où
l'épaisseur finale du revêtement est réalisée, c'est-à-dire au droit des
essoreurs, ainsi
que de garantir une épaisseur de revêtement uniforme dans la plan de la bande.
[0026] Enfin, l'invention poursuit également le but d'apporter une
solution au
problème de splashing rencontré à haute vitesse de défilement.
Principaux éléments caractéristiques de l'invention
[0027] La présente invention se rapporte à une installation de
revêtement au
trempé d'une bande métallique en défilement continu, comprenant un bain de
métal
liquide de revêtement duquel la bande ressort en brin vertical, un rouleau de
fond, un
rouleau décambreur et le cas échéant un rouleau stabilisateur, tous immergés
dans le
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bain de métal liquide, des couteaux d'essorage placés en sortie de bain et
injectant un
gaz sous pression pour enlever le surplus de revêtement non encore solidifié,
créant
une vague d'essorage présentant un flux de retour de métal liquide dirigé vers
le bas,
ainsi qu'un dispositif dissipatif de stabilisation hydrodynamique placé entre
les couteaux
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d'essorage et le dernier rouleau immergé, comprenant une pluralité de patins
hydrodynamiques destinés à une mise en charge sur au moins un côté de la bande
métallique et montés pivotants autour d'articulations pour un autoalignement
de ceux-
ci, s'étendant en outre transversalement sur la largeur de la bande, et
positionnés de
sorte qu'en utilisation, le flux de retour de métal liquide de la vague
d'essorage s'écoule
au moins partiellement sur le dos des patins, c'est-à-dire sur la face de ceux-
ci n'étant
pas en vis-à-vis de la bande métallique en défilement continu.
[0028]
Selon des modes d'exécution préférés de l'invention, l'installation
comporte en outre au moins une des caractéristiques suivantes, ou encore une
combinaison appropriée de plusieurs de celles-ci :
¨ le dos de chaque patin est de nature non mouillante pour le métal liquide ou
est
pourvu d'un revêtement non mouillant ;
¨ au dos de chaque patin, se trouvent en outre, un chenal ou des rainures
canalisant
l'écoulement du flux de retour ;
¨ l'extrémité distale des patins par rapport au bain de métal liquide se
trouve dans la
zone d'essorage, est effilée et peut assurer un pré-essorage du revêtement en
limitant le risque de splashing ;
¨ les articulations sont disposées de manière à ce que les extrémités
distales effilées
des patins soient quasi-stationnaires ;
¨ les patins sont soit complètement émergés, soit partiellement ou
totalement
immergés dans le métal liquide ;
¨ l'installation comprend des moyens extérieurs pour préchauffer les patins
;
¨ les patins situés du même côté de la bande sont essentiellement
parallèles entre
eux et séparés par un intervalle dans la direction transversale au défilement
de la
bande ;
¨ les patins situés du même côté de la bande sont en contact latéral via un
feutre
céramique placé dans cet intervalle ;
¨ les patins situés du même côté de la bande sont en contact latéral
imbriqué via un
chicanage ;
¨ l'installation comprend un vérin pneumatique pour la mise en charge
indépendante
de chaque patin ;
¨ le vérin pneumatique est assisté par un ensemble ressort-amortisseur ;
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¨ les patins sont disposés de chaque côté de la bande en se faisant
essentiellement
face deux à deux ;
¨ les patins sont disposés de chaque côté de la bande et en quinconce ;
¨ les patins sont contrôlés en groupe ou individuellement par un automate
programmable industriel qui assure au moins une mesure de la cambrure de la
bande, une analyse du défaut et une correction en boucle fermée des forces
appliquées sur les patins.
[0029]
L'installation de l'invention trouvera une application préférée dans le
cadre d'un procédé industriel de revêtement au trempé à chaud en continu d'une
bande
métallique ayant une vitesse de défilement comprise préférentiellement entre
0.5 et >3
m/s (30 et >180 m/min), de préférence encore jusqu'à 10 m/s (600 m/min). Dans
le
cadre de ce procédé, la bande métallique sera constituée de préférence
d'acier,
d'aluminium, de zinc, de cuivre ou de l'un de leurs alliages. L'épaisseur de
la bande
métallique sera comprise préférentiellement entre 0,15 et 5 mm. Le métal fondu
de
revêtement comprendra de préférence du zinc, de l'aluminium, de l'étain, du
magnésium, du silicium ou un alliage d'au moins deux de ces éléments.
L'épaisseur de
la couche métallique de revêtement obtenue après essorage sera de préférence
comprise entre 3 et 50 m. Le gaz sous pression injecté par les essoreurs à
gaz sera
de préférence de l'air, de l'azote ou du dioxyde de carbone.
Brève description des figures
[0030] La
figure 1 représente une vue en coupe verticale du dispositif de
stabilisation hydrodynamique d'une bande métallique selon la présente
invention.
[0031] La
figure 2 représente une vue de dessus de la bande entre les couteaux
d'essorage, montrant schématiquement la distance Z entre les couteaux et le
plan idéal
de référence de la bande, le défaut de cambrage Az)c et le déplacement Az)v
correspondant aux vibrations.
[0032] La
figure 3 représente respectivement une vue en coupe de la vague
d'essorage montrant schématiquement le phénomène de splashing, d'une part et
de la
vague d'essorage en présence de l'extrémité du patin hydrodynamique, d'autre
part.
[0033] La
figure 4 représente une vue en élévation de trois modalités préférées
d'exécution de la présente invention, relative aux chenaux présents au dos de
chaque
patin d'une part et relatives à l'interface entre patins jointifs d'autre
part.
[0034] La
figure 5 représente une vue en plan de deux modalités préférées
d'exécution de la présente invention, montrant la disposition relative des
patins de part
et d'autre de la bande, selon son défaut de cambrure par rapport à un plan de
référence.
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Description de formes d'exécution préférées de l'invention
[0035] Pour fixer les idées, la figure 1 représente schématiquement
une forme
d'exécution préférée du dispositif de stabilisation hydrodynamique de
l'invention
disposé en face de la bande d'acier 1 animée d'un mouvement continu vers le
haut
(c'est-à-dire en brin vertical), après passage par le rouleau de fond 4, par
le rouleau
décambreur 5a et éventuellement par le rouleau stabilisateur 5b du bain de
zinc liquide
2 et avant son passage au droit des couteaux d'essorage 3.
[0036] Le dispositif de l'invention se présente essentiellement sous
la forme
d'au moins un, mais généralement plusieurs, patins hydrodynamiques 6 auto-
alignés
(ou auto-alignants), montés pivotants autour d'une articulation 7. On entend
par patins
des dispositifs plans rigides tels que des plaques. Ils peuvent soit être
disposés en
dehors du bain 2, soit avoir une partie partiellement immergée 8, soit encore
être
totalement immergés. La mise en charge des patins 6 vise à équilibrer la
portance
hydrodynamique générée au sein du film de métal liquide à l'interface bande-
patin mais
aussi à aplanir la bande 1 à sa sortie du bain 2.
[0037] Plus précisément, des patins 6 complètement émergés ou
complètement immergés permettent avantageusement d'éviter de piéger de l'écume
se trouvant à la surface du bain principalement au démarrage de la ligne,
tandis que
des patins complètement émergés favorisent une stabilisation au plus près des
essoreurs. Mais aussi, des patins 6 partiellement ou complètement immergés
permettent de favoriser la préchauffe et le maintien en température du patin
par
conduction de chaleur via un contact direct avec le bain. Cela permet
également de
profiter du profil de vitesse au voisinage de la bande, juste avant qu'elle ne
quitte le
bain et ainsi améliorer significativement la portance hydrodynamique
(Rhydrodyn.), les
épaisseurs à l'interface et donc la sécurité de fonctionnement vis-à-vis d'un
risque de
contact entre les patins et la bande.
[0038] Sur la figure 2, on voit qu'aux défauts de cambrure Az)c et
aux
déplacements Az)v dus aux vibrations vont correspondre des variations
d'épaisseur de
revêtement. Là où la bande est plus proche d'un couteau d'essorage que le plan
de
référence 12 qui se trouve par définition à égale distance Z des couteaux
d'essorage,
l'épaisseur finale de revêtement sera plus faible, et inversement. Plus
particulièrement,
la cambrure conduit à une variation continue d'épaisseur sur la largeur de
bande. Les
vibrations en mode rigide ou string conduisent à une alternance de
variations
d'épaisseur dans la direction de défilement, tandis que les vibrations d'ordre
supérieur
( twisting ou flapping ) conduisent à des variations affectant autant la
direction
longitudinale que la direction transversale. Le dispositif présenté ici vise
donc à
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s'affranchir de ces différentes variations en vue d'obtenir une bande plane et
stable au
droit des couteaux d'essorage et par suite de garantir une épaisseur de
revêtement
uniforme dans les deux directions du plan de la bande.
[0039] Sur la figure 3, on peut voir schématiquement le phénomène de
splashing survenant au-delà d'une vitesse critique de défilement de la bande :
pour une
épaisseur finale donnée, lorsque la vitesse de bande augmente, le flux
ascendant 13
et le flux de retour 14 viennent gonfler l'épaisseur de la vague d'essorage
11. Pour
garder une épaisseur finale de revêtement constante, il est nécessaire
d'augmenter la
pression d'essorage et donc le gradient de pression et le cisaillement de la
surface du
film fluide dans la zone d'essorage 20. Au-delà d'une valeur critique du
couple vitesse-
épaisseur, le taux de cisaillement conduit à la projection de gouttelettes 15
de métal
liquide (éclaboussures ou splashing). La présente invention se propose donc de
limiter
l'épaisseur de la vague d'essorage 11 en plaçant l'extrémité du patin 6, qui
sera de
préférence effilée, au sein de la zone d'essorage 20. L'efficacité en sera
d'autant
meilleure que le dos du patin 6, c'est-à-dire sa face opposée à la bande, est
rendu non-
mouillant, par nature ou par dépôt d'un revêtement adéquat. En effet, une
partie du flux
de retour va s'écouler au dos des patins 6 et il convient d'éviter que le
métal liquide
finisse par se figer à cet endroit.
[0040] Pour des bandes à revêtir allant généralement jusqu'à 2 mètres
de large,
il est nécessaire de disposer côte à côte plusieurs patins si l'on veut
couvrir toute la
largeur de la bande. Sur la figure 4, les patins 6 prennent place sur au moins
un côté
de la bande 1, et s'étendent transversalement essentiellement sur toute la
largeur de
la bande 1. Egalement pour la raison explicitée ci-dessus, le dos de chaque
patin 6
présente avantageusement au moins un chenal ou des rainures 17 permettant la
canalisation du flux de retour en dehors des appuis des articulations. Les
patins 6 sont
éventuellement séparés par une certaine distance dans la direction
transversale et sont
essentiellement parallèles entre eux. Dans le cas contraire, ils peuvent
éventuellement
être en contact via un feutre céramique 18 ou peuvent être imbriqués grâce à
un
chicanage rapporté 19 au niveau de leurs côtés adjacents s'opposant au flux
ascendant, ce qui limite le risque d'avoir une surépaisseur de revêtement à
cet endroit,
après essorage.
[0041] Dans une première modalité représentée sur la figure 5 (A),
les patins 6
sont placés en quinconce de part et d'autre de la bande 1 représentée avec son
défaut
de cambrure par rapport au plan de référence 12. Chaque patin 6 peut être
soumis à
une même force via son vérin d'appui ou à une force particulière (Fi) (i = 1,
2, 3, ..., N).
Toujours selon l'invention, un automate programmable industriel (PLC) peut
être ajouté
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au dispositif pour un meilleur contrôle du résultat en permettant
avantageusement une
mesure de la cambrure, une analyse du défaut et une correction en boucle
fermée des
forces (Fi).
[0042] Dans la seconde modalité d'exécution représentée sur la figure
5 (B), les
patins 6 se font face de part et d'autre de la bande 1. Chaque paire de patins
peut être
soumise à une même force via son vérin d'appui ou à un différentiel de force
(Fi)1 ¨
(Fi)2 (i = 1, 2, ..., N). Ici aussi, le recours à un système de mesure,
d'analyse et de
correction en boucle fermée PLC peut être envisagé avantageusement.
[0043] L'invention permet, au moins dans certaines conditions
opérationnelles,
de se passer du rouleau décambreur 5a et du rouleau stabilisateur 5b, ce qui
est
d'autant plus avantageux que ceux-ci sont générateurs de vibrations
supplémentaires
suite à l'usure de leurs paliers immergés, qu'ils sont également générateurs
de mattes
et que leur entretien comme leur remplacement nécessitent des arrêts de ligne
impactant la productivité de l'usine.
[0044] D'autres modes de réalisation préférés de l'invention peuvent encore
être envisagés, différant ici par la nature de l'amortissement réalisé. Par
exemple,
l'ensemble ressort-amortisseur 10 pourrait être simplement remplacé par
l'ensemble
air comprimé-frottements internes du vérin.
Liste des symboles de référence
1 Bande d'acier 12 Plan de référence
2 Bain de zinc liquide 13 Flux ascendant
3 Couteaux d'essorage 14 Flux de retour
4 Rouleau de fond 15 Gouttelettes (splashing)
5a Rouleau décambreur 16 Extrémité effilée de patin
5b Rouleau stabilisateur 17 Chenal (rainure)
6 Patins hydrodynamiques 18 Feutre céramique
7 Articulation de patin 19 Patins imbriqués (chicane)
8 Partie de patin immergée 20 Zone d'essorage
9 Vérin pneumatique 21 Automate programmable
10 Ressort/amortisseur industriel (PLC)
11 Vague d'essorage
