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PROCEDE ET DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT ACCELERE EN RECUIT
CONTINU Objet de l'invention [0001] La présente invention se rapporte à un procédé destiné à la mise en #uvre du refroidissement d'une bande d'acier, dans le cadre d'un processus de recuit en continu.
[0002] Le domaine d'application dans lequel s'inscrit la présente invention est plus particulièrement celui des traitements thermiques de type recuit continu faisant intervenir deux refroidissements successifs menés à des vitesses différentes. En particulier, on s'intéresse à la succession d'un refroidissement, dit "lent", du type "à l'eau bouillante" et d'un second refroidissement à l'eau (ou trempe), dit "rapide". Ce dernier est de préférence un refroidissement dans un bain d'eau agitée dont la température est inférieure à sa température d'ébullition.
[0003] L'invention se rapporte également au dispositif pour la mise en #uvre du procédé.
[0004] L'invention se rapporte, en outre, à la méthode de régulation du procédé.
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Arrière-plan technologique et état de la technique [0005] Le recuit continu est un traitement thermochimique que l'on applique aux bandes d'acier après le laminage à froid. La "bande" d'acier est le produit sidérurgique qui, découpé, donnera des tôles utilisées pour la fabrication des carrosseries automobiles, des carcasses d'appareils électroménagers, etc.
[0006] Le procédé de recuit continu consiste à faire défiler la bande d'acier dans un four où elle est exposée à un chauffage et à un refroidissement contrôlés. Dans le four de recuit continu, la bande d'acier circule verticalement, en une série de brins successifs, montants et descendants, et défile ainsi séquentiellement au travers des diverses étapes de traitement.
[0007] Le traitement de la bande dans le four comprend généralement les étapes thermiques successives suivantes : - préchauffage et chauffage : la bande atteint une température de 700 à 850 C en 2 à 3 minutes ; - maintien à la température maximale durant 1 minute environ ; - refroidissement lent, par exemple à l'eau bouillante ; - refroidissement rapide (trempe), par exemple par eau liquide projetée sur la bande à une température pouvant aller jusqu'à sa température d'ébullition ; - survieillissement ; - refroidissement final.
[0008] Ces différentes étapes sont nécessaires à la mise en #uvre du traitement métallurgique visé, à savoir la recristallisation, la précipitation des carbures, l'obtention des structures finales ou d'un acier non vieillissant, etc.
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[0009] En particulier ces dernières années, on a vu l'émergence d'une demande accrue, émanant notamment de l'industrie automobile, pour des bandes d'acier présentant simultanément des propriétés de résistance et de formabilité améliorées.
[0010] Dans ce cadre, la phase de refroidissement joue un rôle particulièrement crucial puisqu'elle permet, dans certains cas, de réduire la concentration en éléments d'alliage coûteux nécessaires à la réalisation de structures microscopiques particulières, telles que par exemple dual phase, TRIP (Transformation Induced Plasticity), multiphase, HLE (Haute Limite Elastique), etc.
Le refroidissement constitue donc un enjeu métallurgique et économique non négligeable.
[0011] Le domaine d'application dans lequel s'inscrit la présente invention est plus particulièrement celui des traitements thermiques faisant intervenir deux refroidissements successifs menés à des vitesses différentes. En particulier, on s'intéresse à la succession d'un refroidissement, dit "lent", du type "à l'eau bouillante" et d'un second refroidissement à l'eau (ou trempe), dit "rapide".
[0012] En particulier, ce second refroidissement s'opère en brin vertical montant, par projection d'eau sur la bande d'acier, soit encore par passage de la bande dans un bain d'eau "agitée", soit encore par pulvérisation d'un brouillard d'eau (mélange de gaz neutre et d'eau) sur la bande. En particulier, la température de l'eau dans le second refroidissement peut être inférieure à sa température d'ébullition.
[0013] L'intérêt de soumettre une bande d'acier à un refroidissement lent avant de procéder à la trempe proprement dite de ladite bande d'acier a été démontré.
Ainsi, on connaît dans l'état de la technique un ensemble
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de solutions permettant de réaliser ces deux opérations successivement (par exemple EP-A-0 992 593, BE-A-887 507, EP-A-0 086 331).
[0014] Une de ces solutions, décrite dans la demande de brevet EP-A-0 992 593, consiste notamment à combiner un premier refroidissement par passage de la bande d'acier dans une cuve d'eau bouillante (vitesse de refroidissement de l'ordre de 60 C/s pour une bande de 0,8 mm d'épaisseur) et un refroidissement à l'eau, dans un caisson prévu à cet effet, plus rapide (entre 100 C/s et 2500 C/s), qui lui est directement consécutif.
[0015] Ce type de solution présente l'inconvénient que la température de l' eau dans le second refroidissement peut être inférieure à la température de l'eau dans la cuve d'eau bouillante. De ce fait, la présence de fuites d'eau plus froide provenant du caisson vers la cuve d'eau bouillante est susceptible d'entraîner un refroidissement inhomogène de la bande d'acier, avec pour conséquence des défauts de planéité, éventuellement importants.
[0016] En particulier, la demande de brevet EP-A-0 992 593 décrit une méthode permettant de réduire le débit de fuite en provenance du caisson de refroidissement "rapide" vers la cuve d'eau bouillante. Celle-ci consiste à réguler la hauteur d'immersion du caisson de refroidissement "rapide" dans la cuve de telle manière que les niveaux d'eau dans le caisson et dans la cuve d'eau bouillante soient égaux. Par équilibre des pressions hydrostatiques à l'interface entre le caisson et la cuve d'eau bouillante, les fuites sont réduites au minimum.
[0017] Cependant, notamment pour des raisons d'encombrement, et afin de maintenir la course maximale existante pour le passage de la bande d'acier dans la cuve d'eau bouillante, il est souhaitable d'élever le dispositif de refroidissement "rapide" au-dessus du niveau d'eau dans
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ladite cuve, avec pour conséquence immédiate que la méthode de suppression des fuites décrite ci-dessus n'est plus applicable.
[0018] Par ailleurs, l'expérience acquise en milieu industriel concernant la trempe à l'eau bouillante a mis en évidence la présence de remous importants à la surface de la cuve d'eau bouillante. Ces vagues, dont la hauteur peut atteindre un mètre, sont une conséquence du dégagement de vapeur important créé par le contact de l'eau bouillante avec la bande chaude (régime de caléfaction ou encore ébullition en film). Ces remous, caractérisés par un comportement aléatoire, sont susceptibles d'influencer le fonctionnement du refroidissement "rapide", en entraînant un refroidissement inhomogène de la bande.
[0019] Il convient donc de gérer de manière satisfaisante la transition entre le refroidissement à l'eau bouillante et le refroidissement "rapide".
[0020] Une solution destinée à pallier les problèmes décrits dans l'état de la technique devrait réaliser un triple objectif : a) maintenir une colonne d'eau de hauteur contrôlée dans la section de refroidissement "rapide", b) contrôler le débit de fuite d'eau "froide" du refroidissement "rapide" vers le refroidissement à l'eau bouillante, c) contrôler l'effet des vagues et remous sur le refroidissement dit "rapide".
La finalité générale de cette solution est de contrôler les caractéristiques géométriques de la bande d'acier.
[0021] Certaines solutions ont été proposées afin de contrôler les effets de ruissellement d'eau sur la bande d'acier, lorsqu'on fait usage de dispositifs de refroidis- sement par projection d'eau. Par exemple, dans le document JP-A-2000 073 125, la bande d'acier, qui défile en brin
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vertical, montant ou descendant, est refroidie dans un caisson de refroidissement rapide par projection d'un brouillard d'eau. Un système de coussin d'air à deux niveaux, créant une surpression à la base du caisson de refroidissement, permet de supprimer les fuites vers le bas. Cependant, s'il est bien possible de limiter la progression de gouttelettes vers l'extérieur du caisson de refroidissement, il n'est pas possible, avec le dispositif proposé de maintenir une colonne d'eau dans le caisson.
[0022] Dans le document JP-A-7 179 951, on décrit une bande d'acier défilant dans le système de refroidissement en brin descendant. Elle est refroidie par aspersion d'eau. Un système à trois niveaux de paires de rouleaux permet d'essorer la bande aspergée et de récupérer l'eau de ruissellement. Comme dans le cas précédent, on ne cherche pas à maintenir une colonne d'eau.
[0023] La Demanderesse a également développé par le passé un procédé alternatif qui met en #uvre un refroidissement par passage dans une cuve d'eau bouillante suivi d'un refroidissement par aspersion d'un brouillard d'eau dans une cuve distincte de la première. Dans ce cas, bien qu'on soit en brin montant, et que donc les effets du ruissellement de l'eau sur une bande chaude soient susceptibles d'avoir des conséquences désastreuses sur les caractéristiques géométriques de la bande, aucun dispositif de récupération d'eau n'est prévu. En outre, on ne cherche pas non plus à maintenir une colonne d'eau.
Buts de l'invention [0024] La présente invention vise à fournir un procédé de refroidissement pour une bande d'acier, dans le cadre d'un traitement de recuit en continu, permettant de garantir à ladite bande d'excellentes propriétés géométriques à l'issue du refroidissement.
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[0025] En particulier, ce procédé de refroidissement vise à réaliser, dans le cadre d'un traitement de recuit en continu, des cycles thermiques convenant à la fabrication de bandes minces en acier présentant des propriétés de géométrie, de résistance et de formabilité améliorées, en vue de répondre aux critères actuels et futurs du marché, en particulier du marché automobile.
Principaux éléments caractéristiques de l'invention [0026] La présente invention se rapporte à un procédé de refroidissement en continu d'une bande d'acier, dans le cadre d'un traitement de recuit en continu, caractérisé par le fait que ladite bande est soumise au moins aux opérations suivantes : - la bande subit un premier refroidissement dit lent de type "à eau bouillante", - la bande subit un second refroidissement à eau ou trempe dit(e) rapide ; - entre ces deux opérations de refroidissement, on fait passer la bande dans un sas ou dispositif d'étanchéité pour assurer une transition contrôlée, de préférence en pression et température, entre le premier refroidissement lent et le second refroidissement rapide, tout en supprimant ou réduisant des fuites d'eau dans le sens de la première opération de refroidissement vers la seconde et vice versa ;
la succession de ces trois opérations étant opérée de manière telle que la durée qui s'écoule entre deux opérations consécutives quelconques est aussi courte que possible, nulle de préférence.
[0027] Avantageusement, on contrôle la température à la sortie du refroidissement de type "à eau bouillante", en modifiant le temps d'exposition de la bande audit
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refroidissement "à eau bouillante", de manière à ce que la température de la bande à la sortie du refroidissement "à eau bouillante" soit de préférence supérieure à 290 C.
[0028] Selon une première forme d'exécution de l'invention, l'opération de refroidissement rapide est réalisée dans un brin vertical montant en projetant de l'eau sur les deux faces de la bande, de préférence au moyen de gicleurs, cette opération étant réalisée à débit et température d'eau contrôlés.
[0029] Selon une deuxième forme d'exécution de l'invention, l'opération de refroidissement rapide est réalisée dans un brin vertical montant en pulvérisant un brouillard d'eau sur les deux faces de la bande, de préférence au moyen d'un gaz porteur neutre, cette opération étant réalisée dans des conditions contrôlées pour la température et le débit d'eau, ainsi que pour le débit de gaz neutre.
[0030] Selon une troisième forme d'exécution de l'invention, l'opération de refroidissement rapide est réalisée dans un brin vertical montant en faisant passer la bande d'acier dans un caisson contenant de l'eau agitée dont on contrôle le degré d'agitation, cette opération étant réalisée dans des conditions contrôlées pour la température d'eau dans ledit caisson, la température de la bande à la sortie dudit caisson de refroidissement rapide étant en outre régulée en contrôlant la hauteur d'eau dans ledit caisson.
[0031] Avantageusement, la température de la bande d'acier à la sortie du refroidissement rapide est contrôlée, de préférence au moyen d'actionneurs modifiant la vitesse de défilement de la bande d'acier dans l'opération de refroidissement rapide ou le débit et/ou la température de l'eau utilisée pour réaliser ledit refroidissement rapide.
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[0032] Un autre aspect de la présente invention concerne un dispositif de sas pour la mise en #uvre du procédé de refroidissement en continu d'une bande d'acier, dans le cadre d'un traitement de recuit en continu. Ce dispositif est localisé dans un brin vertical montant, immédiatement en aval d'une cuve de refroidissement contenant de l'eau bouillante, destinée à la réalisation d'un refroidissement dit "lent" de ladite bande d'acier, et immédiatement en amont d'un caisson de refroidissement, également localisé dans ledit brin vertical montant, destiné à la mise en #uvre d'un refroidissement dit "rapide" de ladite bande d'acier.
Ce dispositif comprend également des moyens pour assurer une transition contrôlée, de préférence en pression et température, entre la cuve de refroidissement lent à l'eau bouillante et le caisson de refroidissement rapide. Les notions d'amont et d'aval sont définies par rapport au sens de défilement de la bande.
[0033] Le dispositif de l'invention est constitué avantageusement d'une enceinte comprenant au moins deux étages de paires de rouleaux successifs. De préférence, la paire de rouleaux inférieure est immergée dans la cuve d'eau bouillante.
[0034] De manière particulièrement avantageuse, deux paires de rouleaux immédiatement successives délimitent un compartiment dit étanche dans ladite enceinte. Ce compartiment présente une étanchéité par rapport à la cuve d'eau bouillante, par rapport au(x) compartiment(s) contigu (s) ou encore par rapport au caisson de refroidissement rapide, ladite étanchéité étant réalisée par les deux paires de rouleaux qui délimitent ledit compartiment et par des bavettes associées auxdits rouleaux, fixées au bâti de l'enceinte et s'appuyant sur les rouleaux respectifs.
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[0035] De manière encore plus avantageuse, chaque compartiment de l'enceinte est doté de moyens pour l'injection d'eau dans ledit compartiment et pour l'extraction d'eau vers l'extérieur dudit compartiment.
[0036] De préférence, pour chaque compartiment, les moyens pour l'injection et l'extraction d'eau sont situés respectivement dans la partie inférieure et dans la partie supérieure dudit compartiment, chaque compartiment disposant de moyens destinés au contrôle des débits d'injection et d'extraction d'eau, respectivement dans et vers l'extérieur dudit compartiment.
[0037] Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque compartiment dispose de moyens pour contrôler la température de l'eau qu'on injecte dans ledit compartiment ou pour réguler la température et la pression de l'eau à l'intérieur dudit compartiment.
[0038] Selon une réalisation particulière du dispositif de l'invention, celui-ci comprend deux étages de paires de rouleaux, qui délimitent un compartiment unique dans l'enceinte de sas, ledit compartiment étant localisé immédiatement en aval de la cuve d'eau bouillante et immédiatement en amont du caisson opérant le refroidissement rapide.
[0039] Un autre objet de la présente invention est de proposer un procédé de régulation mettant en #uvre le dispositif de l'invention, caractérisé en ce qu'on contrôle la température et la pression dans chacun des compartiments dudit dispositif, afin de supprimer les fuites d'eau liquide de température inférieure ou égale à la température d'ébullition et allant dans le sens du caisson de refroidissement rapide vers la cuve d'eau bouillante.
[0040] Avantageusement, on contrôle au moins la pression dans le compartiment supérieur, en s'assurant que ladite pression régnant en amont des rouleaux délimitant le
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compartiment vers le haut est à tout instant supérieure à la pression exercée en aval de ces rouleaux par de l'eau accumulée dans la partie inférieure du caisson de refroidissement rapide.
[0041] Dans le cas où le caisson de refroidissement rapide contient de l'eau sous agitation contrôlée, on contrôle de préférence la pression dans le compartiment dudit dispositif, afin de supprimer ou réduire les fuites d'eau provenant du caisson de refroidissement rapide et allant vers la cuve d'eau bouillante assurant le refroidissement lent, de manière telle que ladite pression soit supérieure à
Ps + p.g.h, où Ps, p, g et h représentent respectivement la pression hydrostatique exercée sur la surface libre de la colonne d'eau maintenue dans le caisson de refroidissement rapide, la masse volumique de l'eau, l'accélération de la pesanteur et la hauteur de ladite colonne d'eau, ces grandeurs étant exprimées dans le système d'unités international.
[0042] De préférence encore, on injecte, dans le compartiment du sas, de l'eau dont la température est égale à sa température d'ébullition.
[0043] De préférence encore, l'eau qu'on injecte dans le compartiment du sas est prélevée directement dans la cuve d'eau bouillante située immédiatement en amont dudit sas.
Brève description des figures [0044] La figure 1 représente schématiquement un dispositif de refroidissement permettant de mettre en #uvre le procédé de l'invention.
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[0045] La figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation préférentiel du dispositif de la figure 1.
Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention [0046] Le dispositif de refroidissement pour la mise en #uvre du procédé de la présente invention est représenté schématiquement à la figure 1. Ce dispositif comporte successivement une zone de refroidissement "lent" à l'eau bouillante 11, une zone de transition 12 et une zone de refroidissement "rapide" 13.
[0047] La bande S entre dans une cuve d'eau bouillante 11 en brin vertical descendant. Le sens de sa course est modifié par un panier de renvoi 15 dont la hauteur par rapport au niveau d'eau dans la cuve peut être régulée afin de contrôler la température de la bande à la sortie de la cuve d'eau bouillante 11. La bande d'acier S sort de la cuve d'eau bouillante en brin vertical montant, effectue un passage dans une section de transition 12 et débouche enfin dans un caisson de refroidissement "rapide" 13 toujours en brin montant vertical.
[0048] Selon une première modalité d'exécution préférée, le refroidissement "rapide" est effectué dans un réservoir d'eau agitée, avec une température d'eau et un débit d'agitation de l'eau contrôlés.
[0049] Selon une seconde modalité d'exécution préférée, le refroidissement "rapide" est réalisé au moyen d'eau à température contrôlée projetée sur la bande avec un débit contrôlé.
[0050] Selon une troisième modalité d'exécution préférée, le refroidissement "rapide" est réalisé au moyen d'un "brouillard d'eau" ("misting jet") constitué d'une suspension de gouttelettes d'eau dans un gaz neutre, la
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température et le débit d'eau, ainsi que le débit de gaz neutre étant contrôlés.
[0051] Un mode de réalisation préféré pour un dispositif, dénommé "sas" ou encore "dispositif d'étanchéité" dans la suite de la description, chargé d'opérer la transition entre le refroidissement de type "à eau bouillante" et le refroidissement "rapide", en vue de mettre en #uvre le procédé de la présente invention, est représenté schématiquement à la figure 2.
[0052] Ledit sas 12 comporte au moins deux étages de paires de rouleaux 1,1', 2,2', 3,3'.
[0053] Chaque compartiment du dispositif d'étanchéité 12 est délimité par deux paires de rouleaux successives, 1,1' et 2,2' par exemple, et comporte des moyens pour l'injection 7,7', 8,8' et l'extraction 9,9', 10,10' d'eau (figure 2). Chaque compartiment comporte en outre des moyens pour la régulation de paramètres tels que la pression et la température de l'eau qui remplit ou se trouve dans ledit compartiment. La pression d'eau entre deux paires de rouleaux successives est régulée pour empêcher des fuites d'eau de la cuve supérieure d'eau "plus froide". La pression sur les rouleaux d'une même paire est suffisante pour maintenir ceux-ci en contact avec la bande.
[0054] L'étanchéité de chaque compartiment délimité par deux paires de rouleaux 1,1', 2,2', 3,3' de la section de transition 12 par rapport, selon le cas, au compartiment voisin (contigu) de cette même section, la cuve à eau bouillante ou le caisson de refroidissement rapide, est assurée au moyen de bavettes 4,4', 5,5', 6,6' associées auxdits rouleaux, fixées au bâti de ladite section 12 et s'appuyant sur les rouleaux respectifs 1,1', 2,2', 3,3'.
[0055] Le sas joue le rôle de tampon pour supprimer l'influence des remous (vagues de l'ordre de un mètre de hauteur) créés à la surface 14 de la cuve d'eau bouillante
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par la vapeur d'eau générée lors du contact entre l'eau bouillante et la bande chaude. En l'absence de sas de séparation, ces remous influenceraient le fonctionnement du système de refroidissement "rapide", entraînant un refroidissement inhomogène de la bande d'acier, avec pour conséquence une dégradation possible des propriétés géométriques de ladite bande, essentiellement sa planéité.
[0056] Comme déjà évoqué ci-dessus, selon l'invention, on souhaite pouvoir contrôler les paramètres de pression et de température de l'eau remplissant l'espace intermédiaire entre deux paires de rouleaux successives : a) pression : en vue de maintenir une colonne d'eau de hauteur contrôlée dans le caisson de refroidissement "rapide" 13 et de limiter les fuites d'eau, éventuellement plus froide, du caisson de refroidissement "rapide" vers la cuve d'eau bouillante
11 (figure 1) ; b) température : en vue de contrôler la température de l'eau qui s'échappe éventuellement vers la cuve d'eau bouillante, avec notamment pour conséquence le maintien d'une température homogène sur toute la largeur de la bande.
[0057] Ceci permet de contrôler les caractéristiques géométriques de la bande à l'interface entre le refroidissement de type "à eau bouillante" et le refroidissement "rapide".
[0058] On limite ainsi l' influence des fuites d'eau plus froide vers la cuve d'eau bouillante. La pression d'eau dans le compartiment supérieur du sas est supérieure à la pression à la base du caisson de refroidissement "rapide". Pour un caisson à eau agitée, celle-ci vaut Ps + p.g.h, où Ps, p, g et h représentent respectivement la pression hydrostatique exercée sur la surface libre 16 de
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la colonne d'eau maintenue dans le caisson de refroidissement rapide, la masse volumique de l'eau, l'accélération de la pesanteur et la hauteur de ladite colonne d'eau, ces grandeurs étant exprimées dans le système d'unités international.
[0059] Au niveau de la paire supérieure de rouleaux, c'est donc l'eau du sas qui monte plutôt que l'inverse.
[0060] En raison du contact étroit que l'on maintient entre les rouleaux d'une même paire et la bande d'acier, les fuites d'un compartiment du sas vers un autre, ou d'un compartiment du sas vers la cuve d'eau bouillante, ou encore d'un compartiment du sas vers le caisson de refroidissement "rapide", proviennent essentiellement des bords de la bande, où la distance minimum entre les rouleaux d'une même paire est limitée à l'épaisseur de ladite bande.
[0061] Il convient de noter qu'un dispositif de sas à au moins deux paires de rouleaux est indispensable pour le contrôle des fuites du caisson de refroidissement "rapide" vers la cuve d'eau bouillante. Ainsi, avec une seule paire de rouleaux, si le brin est montant, d'éventuelles fuites vers le bas sont susceptibles de perturber la température de l'eau dans la cuve d'eau bouillante et par conséquent de créer un refroidissement inhomogène de la bande avant son entrée dans le caisson de refroidissement "rapide" 13 (figure 1), ce qui induit des problèmes de planéité de la bande.
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METHOD AND DEVICE FOR ACCELERATED ANNEALING COOLING
CONTINUOUS OBJECT OF THE INVENTION The present invention relates to a process intended for implementing the cooling of a steel strip, within the framework of a continuous annealing process.
The field of application in which the present invention falls is more particularly that of heat treatments of the continuous annealing type involving two successive cooling operations carried out at different speeds. In particular, we are interested in the succession of cooling, called "slow", of the type "with boiling water" and of a second cooling with water (or quenching), called "fast". The latter is preferably a cooling in a stirred water bath whose temperature is lower than its boiling temperature.
The invention also relates to the device for implementing the method.
The invention also relates to the method of regulating the process.
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Technological background and state of the art [0005] Continuous annealing is a thermochemical treatment which is applied to the steel strips after cold rolling. The "strip" of steel is the steel product which, cut out, will give sheets used for the manufacture of automobile bodies, carcasses of household appliances, etc.
The continuous annealing process consists of scrolling the steel strip through an oven where it is exposed to controlled heating and cooling. In the continuous annealing furnace, the steel strip circulates vertically, in a series of successive strands, ascending and descending, and thus passes sequentially through the various treatment stages.
The treatment of the strip in the oven generally comprises the following successive thermal steps: - preheating and heating: the strip reaches a temperature of 700 to 850 ° C. in 2 to 3 minutes; - maintaining at maximum temperature for approximately 1 minute; - slow cooling, for example with boiling water; - rapid cooling (quenching), for example by liquid water sprayed onto the strip at a temperature which can go up to its boiling point; - aging; - final cooling.
These various stages are necessary for the implementation of the targeted metallurgical treatment, namely recrystallization, precipitation of carbides, obtaining the final structures or of non-aging steel, etc.
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In particular in recent years, we have seen the emergence of increased demand, in particular from the automotive industry, for steel strips having simultaneously improved strength and formability properties.
In this context, the cooling phase plays a particularly crucial role since it makes it possible, in certain cases, to reduce the concentration of costly alloying elements necessary for the production of particular microscopic structures, such as for example dual phase , TRIP (Transformation Induced Plasticity), multiphase, HLE (Haute Elastic Limit), etc.
Cooling therefore constitutes a significant metallurgical and economic challenge.
The field of application in which the present invention falls is more particularly that of heat treatments involving two successive cooling operations carried out at different speeds. In particular, we are interested in the succession of cooling, called "slow", of the type "with boiling water" and of a second cooling with water (or quenching), called "fast".
In particular, this second cooling takes place in an upright vertical strand, by spraying water onto the steel strip, either by passing the strip through a "stirred" water bath, or even by spraying. a water mist (mixture of neutral gas and water) on the strip. In particular, the temperature of the water in the second cooling can be lower than its boiling point.
The advantage of subjecting a steel strip to slow cooling before the actual quenching of said steel strip has been demonstrated.
Thus, we know in the state of the art a set
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solutions allowing these two operations to be carried out successively (for example EP-A-0 992 593, BE-A-887 507, EP-A-0 086 331).
One of these solutions, described in patent application EP-A-0 992 593, consists in particular of combining a first cooling by passing the steel strip through a tank of boiling water (cooling rate of 1 '' order of 60 C / s for a 0.8 mm thick strip) and water cooling, in a box provided for this purpose, faster (between 100 C / s and 2500 C / s), which is directly consecutive to it.
This type of solution has the disadvantage that the temperature of the water in the second cooling can be lower than the temperature of the water in the boiling water tank. As a result, the presence of colder water leaks from the box to the boiling water tank is likely to cause inhomogeneous cooling of the steel strip, with consequent flatness defects, possibly significant.
In particular, patent application EP-A-0 992 593 describes a method for reducing the leak rate from the "rapid" cooling box to the boiling water tank. This consists of regulating the immersion height of the "rapid" cooling box in the tank so that the water levels in the box and in the boiling water tank are equal. By balancing the hydrostatic pressures at the interface between the box and the boiling water tank, leaks are reduced to a minimum.
However, in particular for reasons of space, and in order to maintain the existing maximum stroke for the passage of the steel strip in the boiling water tank, it is desirable to raise the "rapid" cooling device. "above the water level in
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said tank, with the immediate consequence that the method of eliminating leaks described above is no longer applicable.
Furthermore, the experience acquired in an industrial environment concerning quenching with boiling water has demonstrated the presence of significant eddies on the surface of the boiling water tank. These waves, the height of which can reach one meter, are a consequence of the significant release of vapor created by the contact of boiling water with the hot strip (caléfaction regime or boiling in film). These eddies, characterized by random behavior, are capable of influencing the operation of "rapid" cooling, by causing inhomogeneous cooling of the strip.
It is therefore necessary to manage satisfactorily the transition between cooling with boiling water and "rapid" cooling.
A solution intended to overcome the problems described in the prior art should achieve a triple objective: a) maintain a water column of controlled height in the "rapid" cooling section, b) control the flow of leakage of "cold" water from "rapid" cooling to boiling water cooling, c) controlling the effect of waves and eddies on so-called "rapid" cooling.
The general purpose of this solution is to control the geometric characteristics of the steel strip.
Certain solutions have been proposed in order to control the effects of water runoff on the steel strip, when use is made of water spray cooling devices. For example, in document JP-A-2000 073 125, the steel strip, which runs in strand
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vertical, rising or falling, is cooled in a rapid cooling box by the projection of a water mist. A two-level air cushion system, creating an overpressure at the base of the cooling box, helps to eliminate leaks down. However, if it is indeed possible to limit the progression of droplets towards the outside of the cooling box, it is not possible, with the proposed device, to maintain a column of water in the box.
In document JP-A-7,179,951, a strip of steel passing through the cooling system in descending strand is described. It is cooled by spraying water. A three-level system of pairs of rollers allows the sprayed strip to be wrung out and the runoff water collected. As in the previous case, there is no attempt to maintain a column of water.
The Applicant has also developed in the past an alternative process which implements cooling by passage through a tank of boiling water followed by cooling by spraying a mist of water in a tank separate from the first. In this case, although we are in a rising strand, and therefore the effects of water runoff on a hot strip are likely to have disastrous consequences on the geometric characteristics of the strip, no device for recovering water is not expected. In addition, there is also no attempt to maintain a water column.
AIMS OF THE INVENTION The present invention aims to provide a cooling method for a steel strip, in the context of a continuous annealing treatment, making it possible to guarantee said strip of excellent geometric properties at after cooling.
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In particular, this cooling process aims to achieve, as part of a continuous annealing treatment, thermal cycles suitable for the manufacture of thin strips of steel having improved geometry, strength and formability properties , in order to meet current and future market criteria, in particular the automotive market.
Main characteristic elements of the invention The present invention relates to a process for continuously cooling a steel strip, in the context of a continuous annealing treatment, characterized in that the said strip is subjected at least to the following operations: - the strip undergoes a first so-called slow cooling of the "boiling water" type, - the strip undergoes a second cooling with water or so-called rapid quenching; - between these two cooling operations, the strip is passed through an airlock or sealing device to ensure a controlled transition, preferably in pressure and temperature, between the first slow cooling and the second rapid cooling, while eliminating or reducing water leaks in the direction of the first cooling operation towards the second and vice versa;
the succession of these three operations being operated in such a way that the time which elapses between any two consecutive operations is as short as possible, preferably zero.
Advantageously, the temperature at the outlet of the “boiling water” type cooling is controlled, by modifying the time of exposure of the strip to said audit.
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"boiling water" cooling, so that the temperature of the strip leaving the "boiling water" cooling is preferably greater than 290 C.
According to a first embodiment of the invention, the rapid cooling operation is carried out in a vertical strand rising by spraying water on both sides of the strip, preferably by means of sprinklers, this operation being carried out at controlled water flow and temperature.
According to a second embodiment of the invention, the rapid cooling operation is carried out in an upright strand by spraying a mist of water on the two faces of the strip, preferably by means of a neutral carrier gas, this operation being carried out under controlled conditions for the temperature and the flow of water, as well as for the flow of neutral gas.
According to a third embodiment of the invention, the rapid cooling operation is carried out in an upright strand by passing the steel strip through a box containing agitated water, the degree of which is controlled. stirring, this operation being carried out under controlled conditions for the temperature of water in said box, the temperature of the strip at the outlet of said rapid cooling box being further regulated by controlling the height of water in said box.
Advantageously, the temperature of the steel strip at the outlet from the rapid cooling is controlled, preferably by means of actuators modifying the running speed of the steel strip in the rapid cooling operation or the flow rate. and / or the temperature of the water used to carry out said rapid cooling.
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Another aspect of the present invention relates to an airlock device for implementing the process of continuous cooling of a steel strip, in the context of a continuous annealing treatment. This device is located in an upright vertical strand, immediately downstream of a cooling tank containing boiling water, intended for achieving so-called "slow" cooling of said steel strip, and immediately upstream of a cooling box, also located in said vertical rising strand, intended for implementing # so-called "rapid" cooling of said steel strip.
This device also comprises means for ensuring a controlled transition, preferably in pressure and temperature, between the slow cooling tank with boiling water and the rapid cooling box. The concepts of upstream and downstream are defined with respect to the direction of travel of the strip.
The device of the invention advantageously consists of an enclosure comprising at least two stages of pairs of successive rollers. Preferably, the lower pair of rollers is immersed in the boiling water tank.
Particularly advantageously, two pairs of immediately successive rollers delimit a so-called sealed compartment in said enclosure. This compartment has a seal with respect to the boiling water tank, with respect to the adjoining compartment (s) or even with respect to the rapid cooling box, said seal being produced by the two pairs of rollers which delimit said compartment and by flaps associated with said rollers, fixed to the frame of the enclosure and resting on the respective rollers.
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Even more advantageously, each compartment of the enclosure is provided with means for injecting water into said compartment and for extracting water outwards from said compartment.
Preferably, for each compartment, the means for injecting and extracting water are located respectively in the lower part and in the upper part of said compartment, each compartment having means intended for controlling the flow rates of injection and extraction of water, respectively into and towards the outside of said compartment.
According to another characteristic of the invention, each compartment has means for controlling the temperature of the water which is injected into said compartment or for regulating the temperature and pressure of the water inside said compartment .
According to a particular embodiment of the device of the invention, it comprises two stages of pairs of rollers, which delimit a single compartment in the airlock enclosure, said compartment being located immediately downstream of the water tank boiling and immediately upstream of the box for rapid cooling.
Another object of the present invention is to provide a control method using the device of the invention, characterized in that the temperature and the pressure in each of the compartments of said device are controlled, in order to remove leaks of liquid water at a temperature less than or equal to the boiling temperature and going in the direction of the rapid cooling box towards the boiling water tank.
Advantageously, at least the pressure in the upper compartment is controlled, ensuring that said pressure prevailing upstream of the rollers defining the
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compartment up is at all times greater than the pressure exerted downstream of these rollers by water accumulated in the lower part of the rapid cooling box.
In the case where the rapid cooling box contains water with controlled stirring, the pressure in the compartment of said device is preferably controlled, in order to eliminate or reduce water leaks coming from the rapid cooling box and going to the boiling water tank ensuring slow cooling, so that said pressure is greater than
Ps + pgh, where Ps, p, g and h represent respectively the hydrostatic pressure exerted on the free surface of the water column maintained in the rapid cooling box, the density of the water, the acceleration of gravity and the height of said water column, these quantities being expressed in the international system of units.
Preferably also, water is injected into the airlock compartment, the temperature of which is equal to its boiling point.
More preferably, the water that is injected into the airlock compartment is taken directly from the boiling water tank located immediately upstream of said airlock.
Brief Description of the Figures [0044] Figure 1 schematically shows a cooling device for implementing the method of the invention.
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FIG. 2 schematically represents a preferred embodiment of the device of FIG. 1.
Description of a preferred embodiment of the invention The cooling device for implementing the method of the present invention is shown diagrammatically in FIG. 1. This device successively comprises a "slow" cooling zone "with boiling water 11, a transition zone 12 and a" rapid "cooling zone 13.
The strip S enters a boiling water tank 11 in a descending vertical strand. The direction of its travel is modified by a deflection basket 15 whose height relative to the water level in the tank can be regulated in order to control the temperature of the strip at the outlet of the boiling water tank 11. The steel strip S comes out of the boiling water tank in a vertical rising strand, passes through a transition section 12 and finally emerges in a "rapid" cooling box 13 still in vertical rising strand.
According to a first preferred embodiment, the "rapid" cooling is carried out in a stirred water tank, with a controlled water temperature and water stirring rate.
According to a second preferred embodiment, the "rapid" cooling is carried out by means of temperature-controlled water projected onto the strip with a controlled flow rate.
According to a third preferred embodiment, "rapid" cooling is achieved by means of a "mist of water" ("misting jet") consisting of a suspension of water droplets in a neutral gas , the
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temperature and water flow, as well as the neutral gas flow being controlled.
A preferred embodiment for a device, called "airlock" or "sealing device" in the following description, responsible for making the transition between cooling of the "boiling water" type and cooling "rapid", with a view to implementing the method of the present invention, is shown diagrammatically in FIG. 2.
Said airlock 12 comprises at least two stages of pairs of rollers 1,1 ', 2,2', 3,3 '.
Each compartment of the sealing device 12 is delimited by two pairs of successive rollers, 1.1 'and 2.2' for example, and includes means for injection 7.7 ', 8.8' and 9.9 ', 10.10' water extraction (Figure 2). Each compartment further comprises means for regulating parameters such as the pressure and the temperature of the water which fills or is located in said compartment. The water pressure between two successive pairs of rollers is regulated to prevent water from leaking from the upper "cooler" water tank. The pressure on the rollers of the same pair is sufficient to keep them in contact with the strip.
The tightness of each compartment delimited by two pairs of rollers 1,1 ', 2,2', 3,3 'of the transition section 12 relative, as the case may be, to the neighboring compartment (contiguous) of this same section, the boiling water tank or the rapid cooling box, is ensured by means of flaps 4,4 ', 5,5', 6,6 'associated with said rollers, fixed to the frame of said section 12 and supported on the respective rollers 1,1 ', 2,2', 3,3 '.
The airlock acts as a buffer to suppress the influence of eddies (waves of the order of one meter in height) created on the surface 14 of the boiling water tank
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by the steam generated during contact between boiling water and the hot strip. In the absence of an airlock, these eddies would influence the operation of the "rapid" cooling system, resulting in inhomogeneous cooling of the steel strip, with the possible consequence of a degradation of the geometric properties of said strip, essentially its flatness.
As already mentioned above, according to the invention, it is desired to be able to control the parameters of pressure and temperature of the water filling the intermediate space between two pairs of successive rollers: a) pressure: in order to maintain a column of water of controlled height in the "rapid" cooling box 13 and to limit leaks of water, possibly colder, from the "rapid" cooling box to the boiling water tank
11 (Figure 1); b) temperature: in order to control the temperature of the water which eventually escapes to the boiling water tank, with in particular the consequence of maintaining a uniform temperature over the entire width of the strip.
This allows to control the geometrical characteristics of the strip at the interface between the "boiling water" type cooling and the "rapid" cooling.
This limits the influence of leaks of cooler water to the boiling water tank. The water pressure in the upper compartment of the airlock is higher than the pressure at the base of the "rapid" cooling box. For a stirred water tank, this is equal to Ps + p.g.h, where Ps, p, g and h respectively represent the hydrostatic pressure exerted on the free surface 16 of
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the water column maintained in the rapid cooling box, the density of the water, the acceleration of gravity and the height of said water column, these quantities being expressed in the international system of units.
At the upper pair of rollers, it is therefore the water in the airlock which rises rather than the reverse.
Due to the close contact that is maintained between the rollers of the same pair and the steel strip, leaks from one lock chamber to another, or from one lock chamber to the tank boiling water, or even from an airlock compartment to the "rapid" cooling box, essentially come from the edges of the strip, where the minimum distance between the rollers of the same pair is limited to the thickness of said bandaged.
It should be noted that an airlock device with at least two pairs of rollers is essential for checking leaks from the "rapid" cooling box to the boiling water tank. Thus, with a single pair of rollers, if the strand is rising, possible downward leaks are likely to disturb the temperature of the water in the boiling water tank and therefore create inhomogeneous cooling of the strip. before entering the "rapid" cooling box 13 (FIG. 1), which induces problems of flatness of the strip.