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Procédé de recuit en continu de bandes en acier en vue de leur galvanisation au trempé et four pour sa mise en #uvre.
Objet de l'invention La présente invention a trait à un procédé de recuit en continu de bandes en acier, plus particulièrement un procédé de recuit en continu destiné à traiter des bandes d'acier avant leur galvanisation au trempé.
L'invention se rapporte également à un procédé de galvanisation en continu de bandes en acier mettant en #uvre un four de recuit suivant la présente invention.
Etat de la technique La galvanisation au trempé est le procédé le plus répandu pour l'application de revêtements anticorrosion à la surface des produits sidérurgiques au moyen d'un bain de revêtement composé de zinc ou d'alliage de zinc. Selon les cas, elle peut se pratiquer par immersion statique prolongée dans ledit bain de revêtement de produits complets ou de leurs constituants préalablement manufacturés (galvanisation à façon ou en batch) ou par défilement continu dans ledit bain de revêtement de bandes d'acier ultérieurement découpées et mises à forme finale par emboutissage, pliage, etc. ; on parle alors de galvanisation en continu.
La première variante du procédé est particulièrement bien adaptée aux produits pour l'industrie de la construction (poutrelles de charpentes, etc. ) ou du transport (rails de sécurité, poteaux d'éclairage, etc. ), alors que la seconde s'adresse autant à l'industrie automobile (tôles de carrosserie, systèmes d'échappement, etc. ), à la construction (réflecteurs, toitures, bardages, etc. ) ou à l'électrotechnique (armoires de distribution électrique, carcasses d'appareils électroménagers, etc.).
Au-delà des différences entre les produits auxquels elles s'appliquent, les deux variantes du procédé précitées, à façon et en continu, conduisent à des revêtements nettement distincts : la galvanisation à façon résulte en des revêtements de forte épaisseur, entièrement transformés en alliages fer/zinc, alors que la galvanisation en continu vise des revêtements nettement plus minces, qui peuvent être constitués de zinc pur ou d'alliages intermétalliques bien contrôlés.
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La présente invention a trait à la seconde catégorie, c'est-à-dire la galvanisation en continu de bandes en acier.
La galvanisation en continu peut être appliquée à des bandes en acier laminées à chaud ou laminées à froid. Dans ce dernier cas, la matière se trouve initialement dans un état d'écrouissage (full-hard) qui la rend totalement inapte aux opérations de mise à forme ultérieure. Il est donc indispensable de lui imposer un recuit de recristallisation qui lui conférera la structure et la texture adéquates. Il faut en outre que ce traitement soit conduit dans des conditions qui assurent un bon accrochage du zinc liquide et une bonne adhérence du revêtement résultant.
Il existe aujourd'hui deux catégories distinctes de lignes de galvanisation en continu, selon : # qu'elles sont dotées d'une section de dégraissage (élimination de l'essentiel des résidus d'huile de laminage) avant le four de recuit étanche, alimenté en gaz HNX (mélange d'hydrogène et d'azote) et chauffé par des tubes radiants ou # que ce four est constitué d'une section de préchauffe à la flamme directe (sans dégraissage préalable), suivie d'une section de recuit proprement dit, travaillant sous gaz HNX (mélange d'hydrogène et d'azote) et chauffée par des tubes radiants.
Parmi les fours de la première catégorie, on en compte certains qui comportent également une section de décapage destinée à éliminer une part des fines de fer et des oxydes superficiels ou à activer la surface pour lui garantir une meilleure réponse au traitement de galvanisation.
Pour les fours de la seconde catégorie, la préchauffe peut être rendue thermiquement plus ou moins efficace ou plus ou moins oxydante pour le fer en fonction du rapport air/gaz du mélange alimentant les brûleurs.
Dans les deux cas, le four comporte toujours une section de refroidissement permettant de ramener rapidement la bande d'acier de sa température de recristallisation à la température choisie pour son immersion dans le bain de zinc ou d'alliage de zinc liquide ou pour son surveillissement préalable éventuel. Cette section est connectée au bain par une trompe immergée assurant l'étanchéité du système et empêchant que la surface d'acier recuit ne soit exposée à l'air avant l'opération de revêtement au trempé.
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Il faut cependant observer que tous les aciers ne répondent pas également bien à la galvanisation ou au traitement de galvannealing, compte tenu de leurs réactivités superficielles particulières. Certains aciers ont même été réputés non galvanisables, à l'époque où les conditions de recuit autorisées par les fours installés en amont du pot de zinc ne permettaient pas de modifier correctement leur état de surface.
Il est actuellement bien connu que les caractéristiques de galvanisabilité dépendent essentiellement de la bonne élimination des résidus d'huile de laminage et de la prévention de l'oxydation superficielle excessive avant immersion dans le bain de zinc ou d'alliage de zinc liquide. L'ajustement de la teneur en aluminium du bain de zinc joue également un rôle important, soit pour éviter l'alliation accidentelle des revêtements de zinc pur, soit au contraire pour la contrôler efficacement dans le cas des revêtements galvanneal , c'est-à-dire des revêtements galvanisés ayant subi un traitement thermique après galvanisation. Dans ce dernier cas, la réaction fer/zinc est alors assurée par un traitement thermique généralement imposé en ligne, dès la sortie du pot de zinc.
Dans ce contexte, on a assisté à l'émergence de divers procédés de préparation superficielle de la bande en acier à revêtir allant du dépôt électrolytique à la surface de la bande d'acier d'une mince couche d'un métal noble (Ni, Cu, etc. ) avant son entrée dans le four de recuit, à des tentatives de contrôle de l'oxydation superficielle ou de modification plus radicale de la chimie de surface. a) Si l'oxydation d'un dépôt électrolytique peut effectivement être évitée et si sa diffusion à l'intérieur du substrat d'acier peut être limitée pendant le recuit, il est ainsi possible de conférer à tous les aciers la même chimie de surface avant trempé, indépendamment de leur chimie de base, assurant ainsi une galvanisabilité uniforme pour toute la production.
Il a également été observé que certains de ces dépôts peuvent fortement améliorer le comportement au galvannealing des aciers les moins réactifs. b) Dans le même ordre d'idées, le contrôle des phénomènes d'oxydation superficielle sélective en cours de recuit peut améliorer l'accrochage du zinc liquide et l'adhérence du revêtement. Il est par exemple bien connu que les aciers contenant des éléments
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d'alliage permettant d'assurer l'obtention des propriétés mécaniques désirées pour l'application visée peuvent présenter de sérieux problèmes au niveau de la galvanisation (défauts de couverture, etc. ) ou du galvannealing (réactivité insuffisante, etc. ).
De nombreuses études ont montré que l'augmentation du point de rosée (teneur en vapeur d'eau) de l'atmosphère protectrice régnant dans le four de recuit peut faire passer la surface d'un régime d'oxydation sélective externe des éléments d'alliage les plus oxydables à un régime d'oxydation interne.
L'oxydation externe est particulièrement défavorable à la galvanisation et au galvannealing, alors que l'oxydation interne permet de présenter au zinc liquide une surface de fer pratiquement pur, indépendamment de la composition de base, favorisant l'accrochage du revêtement de zinc ou d'alliage de zinc. c) De meilleures performances peuvent encore être obtenues en conduisant le recuit opéré avant l'opération de revêtement par trempé dans des conditions telles que la surface soit le siège d'une oxydation totale, avant que l'oxyde de fer ainsi formé ne soit réduit en fer métallique, parfaitement adapté à la galvanisation au trempé.
Dans la plupart des cas, la réduction de l'oxyde de fer créé en début traitement est assurée par le jeu de l'atmosphère à haute teneur en hydrogène et à bas point de rosée régnant dans la zone à haute température du four de recuit.
Ce dernier traitement peut avantageusement être réalisé dans les fours de recuit continu doté d'une section de préchauffe à flamme directe (fours de la deuxième catégorie décrite ci-dessus). Il faut cependant observer que le contrôle de l'oxydation totale préalable et de la réduction subséquente de l'oxyde de fer ainsi créé posent de sérieux problèmes techniques ou d'asservissement dans le cas très fréquent de lignes de galvanisation devant traiter des aciers de grades divers. De plus, si l'acier est fortement chargé en éléments d'alliage comme le manganèse, le silicium ou l'aluminium, ces éléments s'incorporent à la couche d'oxyde et en compromettent une réduction convenable.
Le procédé de recuit en continu, objet de la présente invention, permet d'éviter les inconvénients précités.
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Présen ta tion de l'in ven tion La présente invention a trait à un procédé de recuit en continu de bandes en acier en vue de leur galvanisation au trempé. L'utilisation en production industrielle d'un procédé de recuit suivant l'invention permet d'assurer la bonne galvanisation au trempé de toutes les classes d'acier. Cette invention repose sur l'oxydation totale contrôlée en épaisseur, c'est- à-dire d'abord l'oxydation interne de la plupart des éléments d'addition, laquelle s'effectue dans l'acier au voisinage de l'interface oxyde/métal et ensuite sur la réduction complète subséquente de l'oxyde superficiel conduisant à la formation d'un film superficiel de Fe métallique, les éléments d'addition restant enfouis sous la forme de précipités d'oxydes internes.
Conformément à la présente invention, un procédé de recuit en continu d'une bande en acier en vue de sa galvanisation au trempé est essentiellement caractérisé en ce qu'on traite ladite bande en acier dans au moins trois zones, lesquelles consistent, si l'on considère le sens de progression de la bande, en une zone dite de préchauffe, une zone dite de recuit et une zone dite de réduction, en ce que la zone de préchauffe comprend un chauffage de la bande en vue de former sur sa surface un film contrôlé d'oxyde contenant de 0,1à 1 g/m2 d'oxygène, en ce que ledit chauffage de la bande dans la zone de préchauffe est effectué soit par flamme directe, soit par radiation, en ce que le contrôle de l'épaisseur est obtenu soit par libre modification du rapport air/gaz du mélange alimentant des moyens de chauffage par flamme directe,
soit par injection d'air contrôlée dans la zone en question lors du chauffage par des moyens radiants ; en ce que la zone de recuit comprend le chauffage par radiation de ladite bande depuis la température atteinte par cette dernière à la sortie de la zone de préchauffe jusqu'à une température de recuit choisie de manière à obtenir la formation de la structure granulaire et de la texture exigées par l'application finale de la bande traitée ; en ce que l'atmosphère de la zone de recuit est composée d'un gaz inerte ou d'un mélange de gaz inerte vis-à-vis de l'acier, par exemple contenant de l'azote et/ou de l'argon, et sec (préférentiellement point de rosée # -10 C) ;
en ce que la zone de réduction comprend une opération de réduction complète de l'oxyde de fer - présent dans la couche d'oxyde formée dans la zone de préchauffe et maturée dans la zone de recuit - au moyen d'une atmosphère réductrice constituée d'un mélange à bas point de rosée (préférentiellement # -20 C) d'azote et de 5 % à 75 % d'hydrogène.
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Dans le contexte de la présente invention, le terme inerte doit se comprendre comme suit.
L'atmosphère alimentant la zone de recuit (section Il) est composée à 98 % d'un gaz ou d'un mélange de gaz inertes tels qu'azote, argon, le complément étant composé de proportions variables des impuretés inévitables, d'hydrogène et de vapeur d'eau.
L'atmosphère dans son ensemble présente un point de rosée inférieur ou égal à -10 C.
Suivant une modalité préférentielle de mise en #uvre du procédé de recuit en continu, objet de la présente invention, on préchauffe la bande à une température comprise entre 650 C et 750 C.
Suivant une autre modalité préférentielle de mise en oeuvre du procédé de recuit en continu, objet de la présente invention, on maintient la bande dans la zone de recuit à une température comprise entre 650 et 850 C.
Des essais ont amené la demanderesse à considérer que la mise en #uvre du procédé de recuit en continu précité permet d'obtenir une bande en acier présentant un état de surface particulièrement apte à recevoir un revêtement par galvanisation au trempé.
La préparation de surface effectuée par le procédé de recuit en continu, objet de la présente invention, correspond au schéma suivant : # une oxydation totale est d'abord créée pour empêcher que l'oxydation en film superficiel des éléments d'alliage ne forme une barrière contre les souhaitables interactions fer/zinc ou fer/alliage de zinc ; # on opère ensuite une maturation de l'oxyde entraînant la migration des éléments d'alliage de l'acier dans la région de l'interface oxyde/métal, ce qui a pour effet de modifier la couche d'oxyde de fer créée dans l'étape d'oxydation totale et donner lieu à l'oxydation interne de certains éléments d'alliage.
# et enfin on procède à une réduction de cette couche d'oxyde de fer (éléments d'alliage) qui conduit finalement à obtenir une surface constituée de fer réduit, laquelle est particulièrement favorable à la réalisation d'un revêtement de qualité de zinc ou d'alliage de zinc.
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Suivant une modalité de mise en #uvre du procédé de recuit, objet de la présente invention, on refroidit la bande en acier dans la zone de réduction en la soumettant au flux d'un gaz refroidi et asséché, préférentiellement ledit gaz est projeté vers la bande en acier et est composé de 5% à 75% en volume d'hydrogène et son point de rosée est inférieur à -20 C..
Suivant encore une autre modalité de mise en oeuvre préférentielle du procédé de recuit, objet de la présente invention, on prélève du gaz utilisé pour le refroidissement de la bande dans la zone de réduction, on analyse les caractéristiques dudit gaz, préférentielle- ment, on mesure son point de rosée, et on utilise les données obtenues pour agir sur la réaction de formation de la couche d'oxyde dans la zone de préchauffage, soit via les moyens de régulation d'entrée d'air du mélange air/gaz (section de préchauffe à flamme nue), soit via les moyens de régulation de l'injection d'air (section de préchauffe à tubes radiants) et ce de manière à ajuster les caractéristiques physico-chimiques de la couche d'oxyde, formée dans la zone de préchauffe, et obtenir une réduction totale de cette dernière dans la zone de réduction.
La présente invention a aussi trait à un four pour la mise en #uvre du procédé de recuit en continu de bandes en acier, objet de la présente invention.
Pour expliciter le fonctionnement du four de recuit, objet de la présente invention, on fera référence à une forme de réalisation, telle que représentée sur la figure 1, c'est-à-dire comportant, s'il est considéré dans le sens de progression de la bande (B) représenté par une flèche, une section de préchauffage (1), une section de recuit (II) connectée à la section précédente par un sas (S1) et à la section suivante par un sas (S2), et enfin une section de réduction, de refroidissement et de survieillissement éventuel (III), laquelle introduit la bande (B) dans le bain de revêtement au trempé (C) via une trompe (T), ledit bain (C) étant contenu dans une cuve (K).
Le four de recuit en continu de bandes en acier pour la mise en #uvre du procédé de recuit en continu, objet de la présente invention, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte, en le considérant dans le sens de progression de la bande (B) traitée, une section de préchauffage (1) dotée :
soit des moyens de chauffage à flamme directe, tels
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des brûleurs, soit des moyens de chauffage par radiation, ainsi que des moyens de régulation du débit d'air tant dans le mélange air/gaz combustible que lors de l'injection d'air, une section de recuit (II) comportant des moyens de chauffage par radiation, et une section de réduction (III) comportant des moyens pour terminer le maintien en température et finalement refroidir la bande par projection d'un gaz, préférentiellement un gaz refroidi et asséché circulant en circuit fermé.
La première section (I) dite de préchauffage assure le chauffage de la bande jusqu'à une température permettant la formation d'un film d'oxyde d'une épaisseur qui puisse être réduite entièrement dans la troisième section décrite ci-dessus. Des vannes télé- commandées permettent d'ajuster l'épaisseur de la couche d'oxyde en faisant varier le rapport air/gaz dans le contexte d'une section de préchauffe de four à flamme nue ou agissent sur l'injection d'air dans le cas d'une section de préchauffe à radiation.
La deuxième section (II) dite de recuit est en général séparée de la section de préchauffe y adjacente par un sas conventionnel (S1) et travaillant en surpression de gaz ou de mélange de gaz inerte vis-à-vis de l'acier ( point de rosée -30 C), pour empêcher l'entrée des gaz de la section de préchauffe. Cette section de recuit est chauffée au moyen de tubes radiants pour amener la bande d'acier de la température de préchauffe à sa température de recuit, et assure la formation de la structure granulaire et de la texture, exigées par l'application considérée et permet les échanges d'oxygène entre le film d'oxyde et les éléments d'alliage contenus dans l'acier.
Enfin, la troisième section (III) dite de réduction travaille en légère dépression par rapport à la précédente (mais tout de même en surpression par rapport à l'extérieur du four) et est remplie d'une atmosphère réductrice constituée d'un mélange à très bas point de rosée d'azote et d'hydrogène ajustable entre 5 et 75% en fraction d'hydrogène. Cette section est destinée à compléter le cycle de recuit (fin de la période de maintien) , à refroidir la bande, éventuellement à effectuer un survieillissement, avant de la transférer dans le bain (C) de zinc ou d'alliage de zinc via une trompe d'immersion (T). Elle assure également la réduction complète de la couche d'oxyde de fer créée dans la première section.
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Suivant une modalité de réalisation préférentielle du four de recuit en continu, objet de la présente invention, la section de réduction (III) comporte des moyens de prélèvement et d'analyse du gaz utilisé pour refroidir la bande (B), préférentiellement des moyens permettant la mesure du point de rosée dudit gaz et de transmission des données obtenues pour agir sur les moyens de régulation situés dans la section de préchauffe (I) agissant soit sur le mélange air/gaz soit sur l'entrée d'air selon le type de moyen de chauffage utilisé.
En effet, le gaz utilisé, présentant une concentration en hydrogène comprise entre 5% et 75%, est refroidi et asséché jusqu'à un point de rosée inférieur à -20 C et est ensuite soufflé directement sur la bande. Pour permettre les mesures rapides de son point de rosée, une portion représentative de ce gaz est en outre prélevée par des sondes débouchant à proximité immédiate de la bande en quatre endroits répartis sur la fin de la période de maintien et la première moitié de la période de refroidissement de la troisième section du four. L'information recueillie par ces sondes sert à commander les vannes de régulation d'amenée d'air de la première section, de telle sorte que l'oxyde créé dans celle-ci soit entièrement réduit dans la troisième section.
Pour expliciter les résultats obtenus lors de la mise en #uvre du procédé de recuit, objet de la présente invention, sur des bandes en acier du type dual phase on fera aussi référence aux figures 2a, 2b, 2c, 2d et 3.
Les figures 2a, 2b, 2c et 2d représentent les résultats d'une analyse par SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) de la surface d'un acier dual phase contenant 0.14% de carbone, 1. 5% de manganèse, 0. 4% de silicium et 0. 05% d'aluminium après l'étape d'oxydation dans la section de préchauffe (1), de recuit dans la section (II) et de réduction dans la section (III), à l'entrée de la trompe (T).
Les unités sont respectivement, en abscisse, le temps t de pulvérisation ionique de l'échantillon analysé, exprimé en secondes, et en ordonnée, les intensités Is d'ions secondaires détectés, exprimées en coups par seconde.
La figure 2a représente le profil de détection des ions secondaires FeO- qui sont caractéristiques de la présence d'oxydes de fer.
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Le trait épais (P) se rapporte à l'état de la bande (B) à l'entrée du sas (S1). Son évolution indique la présence d'une couche d'oxydes de fer évaluée approximativement à 0,35 g/m2 d'oxygène.
Le trait fin (R) se rapporte à l'état de la bande (B) à l'entrée de la trompe (T). Son évolution montre que l'oxyde de fer du profil précédent (P) a été presqu'entièrement réduit et qu'il n'en subsiste que quelques traces à l'interface entre une couche de fer réduit et l'acier de départ.
Les figures 2b, 2c et 2d se rapportent respectivement aux ions secondaires SiO-, MnO- et AIO-.
De même que pour la figure 2a, la courbe (P) en trait épais se rapporte à l'état de la bande (B) à l'entrée du sas (S1) et la courbe (R) en trait fin se rapporte à l'état de la bande (B) à l'entrée de la trompe (T).
Les intensités instantanées mesurées sont en première approximation proportionnelles à la quantité d'oxydes respectivement Si02, MnO et AI2O3.
L'analyse des courbes (P) dans le cas de Si02 et AI203 permet de remarquer, après la phase de préchauffe dans la section (1), à l'interface oxyde-métal, un enrichissement local de ces espèces.
Après le traitement de réduction (section III), les courbes (R) montrent que la quantité d'oxydes, respectivement Si02 et AI2O3, augmente notablement au droit de cette ancienne interface.
Sur la figure 2d, la courbe (P) montre une distribution uniforme de MnO de ce dernier dans la couche d'oxyde formée à la préchauffe. Après réduction, c'est-à-dire à la sortie de la section (III), la courbe (R) montre que l'oxyde MnO se retrouve concentré à l'endroit de l'ancienne interface oxyde-métal.
On observe principalement qu'après préchauffe oxydante dans la section (I) et réduction dans la section (III), les oxydes Si02, AI2O3 et MnO sont entièrement absents de la surface de la bande (B).
La figure 3 est la représentation de profils d'ions secondaire C- enregistrés à partir de la surface du même acier après l'étape de préchauffe (courbe P) et après celle de recuit (courbe R). La courbe (P) montre que la concentration nominale en C (carbone) est
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atteinte dès que la couche d'oxyde a été érodée ioniquement. La courbe (R) montre une décarburation (D) importante de l'acier situé derrière la couche d'oxyde réduit. La zone décarburée obtenue au cours du passage de la bande dans les sections (II) et (III) du recuit s'étend au-delà de la profondeur analysée.
Le fonctionnement de ce four peut être schématisé de la façon suivante : a) Dans la section de préchauffe, le mélange air/gaz alimentant les brûleurs ou l'injection d'air dans le four radiant est ajusté comme indiqué ci-après pour assurer l'oxydation totale de la surface strictement nécessaire à l'obtention d'un revêtement de la qualité désirée. b) La section du four travaillant en légère surpression d'azote pur et sec assure, dans des conditions optimales, l'oxydation interne des éléments de l'acier qui sont préjudiciables à la galvanisation. Divers phénomènes métallurgiques ont lieu dans cette section : # La réaction recherchée est l'échange de l'oxygène entre le film d'oxyde de fer et les éléments plus oxydables présents dans l'acier :
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M pouvant être, par exemple : Mn, Si, AI, etc.
Cette réaction a lieu en trois étapes: 1) Dissociation de l'oxyde à l'interface oxyde/métal, l'activité de l'oxygène correspondant à la pression de dissociation de l'oxyde de fer à la température de recuit.
2) L'oxygène atomique diffuse dans le métal.
3) L'augmentation de l'activité de l'oxygène dans le métal au-delà de la pression de dissociation de l'oxyde MOy entraîne la précipitation de cet oxyde au sein de la matrice métallique et au voisinage de l'interface.
Ce mécanisme est actif dans tous les cas, sans aucune production d'eau, maintenant ainsi le point de rosée à son niveau de départ. Son intensité varie évidemment avec la classe d'acier considérée. L'oxydation interne (cfr. symbole (O)) du manganèse, du silicium et de l'aluminium se manifeste par une décroissance beaucoup plus lente
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dans l'état recuit des signaux MnO-, SiO- et AIO- représentatifs de l'abondance des oxydes correspondants dans la matrice métallique.
# A l'intérieur de la couche d'oxyde, le fer tend à diffuser vers la surface et les éléments d'alliage présents dans cette couche comme le manganèse, le silicium et l'aluminium migrent vers l'interface oxyde/métal, pour y former des oxydes mixtes (Fe O)x . (My
Oz) w plus stables. Ce phénomène conduit à l'épuration (cfr. symbole (E)) de la couche d'oxyde de fer qui apparaît clairement sur les figures 2a à 2d.
# Le carbone libre de l'acier va diffuser au travers de la couche d'oxyde et échanger de l'oxygène à la surface de celle-ci, assurant de la sorte un mode de réduction de cet oxyde :
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Cette réduction démarre de l'extérieur de la couche d'oxyde et se propage progressivement vers l'intérieur sans dégagement de vapeur d'eau, mais conduit à une certaine décarburation de l'acier au voisinage de l'interface oxyde/ métal comme le montre la figure 3.
Elle n'est évidemment active que dans les aciers contenant une quantité suffisante de carbone libre et n'a donc par exemple pas lieu dans les aciers à ultra bas carbone stabilisés. c) L'atmosphère HNX à bas point de rosée de la troisième section du four permet de réduire à l'hydrogène le film d'oxyde de fer épuré qui a résisté aux mécanismes réducteurs actifs dans la deuxième section. Dans les cas où ceux-ci auraient été parfaitement actifs, plus aucune réduction ne peut se produire et le point de rosée du mélange reste à son niveau de départ. Dans les autres cas, la réaction classique :
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conduit immanquablement à l'augmentation du point de rosée, contrôlé à proximité immédiate de la bande.
Idéalement, la réduction de l'oxyde de fer doit être complète entre le deuxième et le troisième point de prélèvement au début de la période de refroidissement de la troisième section du four. La caractérisation du gaz et plus
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particulièrement la mesure du point de rosée permet de contrôler que ces conditions de marche sont effectivement réalisées, car dans ces conditions, le point de rosée chute sensiblement du premier au dernier point de prélèvement. Cet état de fonctionnement est obtenu en agissant sur l'injection d'air à la préchauffe. On crée de la sorte une boucle d'asservissement permettant de garder le four dans les conditions idéales de fonctionnement et cela, quel que soit le type d'acier traité.
Il faut donc faire fonctionner le four à la limite de l'augmentation du point de rosée au plus tard au dernier point de prélèvement de la troisième section du four, en agissant sur le rapport air/gaz du mélange alimentant les brûleurs de la préchauffe, ainsi que sur l'admission d'oxygène dans la section de préchauffe à tubes radiants .
Les conditions de traitement idéales correspondent donc à une oxydation totale initiale suffisante pour annihiler les effets indésirables d'une oxydation sélective des éléments d'alliage, tout en permettant la réduction complète de l'oxyde de fer dans la troisième section du four.
Les avantages de la mise en #uvre tant du procédé de recuit en continu que du four de recuit faisant l'objet de l'invention sont multiples : a) L'efficacité thermique de la section de préchauffe est supérieure en situation de léger excès d'air, c'est-à-dire légèrement oxydante, qu'en situation de défaut d'air. La recherche délibérée d'une atmosphère oxydante pour le fer résulte donc en une économie en frais de consommation en gaz. b) La section de recuit, étant mise en légère surpression par rapport aux deux autres sections empêche le transport des gaz générés dans la préchauffe au-delà du sas qui la sépare de la seconde section, maintenant ainsi le point de rosée de l'atmosphère d'azote qu'elle contient.
L'éventuel transport d'azote de la deuxième section vers la troisième (qui travaille sous atmosphère de HNX) reste évidemment sans conséquence néfaste d'un point de vue métallurgique. c) L'absence de production d'eau par les mécanismes réducteurs actifs dans la section de recuit permet d'y maintenir le point de rosée à son niveau bas de départ, garantissant l'efficacité à long terme de ces mécanismes. d) Ce n'est que dans le cas de travail sur des aciers à haute teneur en carbone libre que l'atmosphère de la section de recuit peut contenir une certaine quantité de CO : il peut
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alors s'avérer utile de renouveler cette atmosphère.
En tout état de cause, cette consommation de gaz reste nettement moins coûteuse que le renouvellement des atmosphères HNX des fours de recuit classiques. e) Lorsque les sections de préchauffe et de recuit travaillent adéquatement, la consommation d'hydrogène dans la section finale de fin de maintien et de survieillisse- ment éventuel est faible.
En tout état de cause, la modicité de volume de cette section par rapport à l'entièreté des fours classiques rend naturellement l'entretien de cette atmosphère nettement moins coûteux. f) La mesure continue du point de rosée du mélange gazeux de la section finale de fin de maintien, de refroidissement et de survieillissement éventuel permet un réglage fin du pouvoir oxydant de l'atmosphère régnant dans la préchauffe, assurant pour toutes les classes d'acier la même efficacité du procédé d'oxydation/réduction garantissant une bonne galvanisabilité.
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Continuous annealing process for steel strips with a view to their dip galvanizing and oven for its implementation.
OBJECT OF THE INVENTION The present invention relates to a process for the continuous annealing of steel strips, more particularly a process for continuous annealing intended to treat steel strips before their dip galvanizing.
The invention also relates to a process for continuously galvanizing steel strips using an annealing furnace according to the present invention.
STATE OF THE ART Dip galvanizing is the most widespread process for applying anticorrosion coatings to the surface of steel products using a coating bath composed of zinc or zinc alloy. Depending on the case, it can be practiced by prolonged static immersion in said coating bath of complete products or their constituents previously manufactured (custom or batch galvanization) or by continuous scrolling in said coating bath of subsequently cut steel strips and final shaping by stamping, bending, etc. ; this is called continuous galvanization.
The first variant of the process is particularly well suited to products for the construction industry (structural beams, etc.) or transport (safety rails, lighting poles, etc.), while the second is intended as much for the automotive industry (body panels, exhaust systems, etc.), construction (reflectors, roofs, cladding, etc.) or electrical engineering (electrical distribution cabinets, carcasses of household appliances, etc.).
Beyond the differences between the products to which they apply, the two variants of the aforementioned process, custom and continuous, lead to clearly distinct coatings: custom galvanization results in thick coatings, entirely transformed into alloys iron / zinc, while continuous galvanizing targets significantly thinner coatings, which can be made of pure zinc or well controlled intermetallic alloys.
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The present invention relates to the second category, that is to say the continuous galvanization of steel strips.
Continuous galvanizing can be applied to hot rolled or cold rolled steel strips. In the latter case, the material is initially in a hardening state (full-hard) which makes it totally unfit for subsequent shaping operations. It is therefore essential to impose on it a recrystallization annealing which will give it the appropriate structure and texture. This treatment must also be carried out under conditions which ensure good bonding of the liquid zinc and good adhesion of the resulting coating.
Today there are two distinct categories of continuous galvanizing lines, depending on: # that they have a degreasing section (elimination of most of the rolling oil residues) before the sealed annealing furnace, supplied with HNX gas (mixture of hydrogen and nitrogen) and heated by radiant tubes or # that this oven consists of a section of preheating with direct flame (without prior degreasing), followed by an annealing section proper, working under HNX gas (mixture of hydrogen and nitrogen) and heated by radiant tubes.
Among the ovens of the first category, there are some which also include a pickling section intended to remove a part of the iron fines and surface oxides or to activate the surface to guarantee a better response to the galvanizing treatment.
For ovens in the second category, preheating can be made thermally more or less efficient or more or less oxidizing for iron depending on the air / gas ratio of the mixture supplying the burners.
In both cases, the furnace always has a cooling section allowing the steel strip to be brought quickly from its recrystallization temperature to the temperature chosen for its immersion in the zinc or liquid zinc alloy bath or for its monitoring. possible preliminary. This section is connected to the bath by a submerged tube ensuring the tightness of the system and preventing the annealed steel surface from being exposed to air before the dip coating operation.
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However, it should be noted that not all steels respond equally well to galvanization or galvannealing treatment, given their particular surface reactivities. Certain steels were even deemed non-galvanizable, at the time when the annealing conditions authorized by the ovens installed upstream of the zinc pot did not allow their surface condition to be correctly modified.
It is currently well known that the galvanizability characteristics essentially depend on the good elimination of the rolling oil residues and on the prevention of excessive surface oxidation before immersion in the bath of zinc or of liquid zinc alloy. The adjustment of the aluminum content of the zinc bath also plays an important role, either to avoid accidental alloying of pure zinc coatings, or on the contrary to effectively control it in the case of galvanneal coatings, i.e. -to say galvanized coatings having undergone a heat treatment after galvanization. In the latter case, the iron / zinc reaction is then ensured by a heat treatment generally imposed online, as soon as it leaves the zinc pot.
In this context, we have witnessed the emergence of various surface preparation processes for the steel strip to be coated, ranging from electroplating to the surface of the steel strip with a thin layer of a noble metal (Ni, Cu, etc.) before entering the annealing furnace, attempts to control surface oxidation or a more radical change in surface chemistry. a) If the oxidation of an electrolytic deposit can effectively be avoided and if its diffusion inside the steel substrate can be limited during annealing, it is thus possible to confer on all steels the same surface chemistry before quenching, regardless of their basic chemistry, thus ensuring uniform galvanizability for the entire production.
It has also been observed that some of these deposits can greatly improve the galvannealing behavior of the less reactive steels. b) In the same vein, controlling the phenomena of selective surface oxidation during annealing can improve the bonding of the liquid zinc and the adhesion of the coating. It is for example well known that steels containing elements
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alloy to ensure the obtaining of the mechanical properties desired for the intended application can present serious problems in terms of galvanization (covering defects, etc.) or galvannealing (insufficient reactivity, etc.).
Numerous studies have shown that increasing the dew point (water vapor content) of the protective atmosphere prevailing in the annealing furnace can pass the surface of a selective external oxidation regime of the elements. most oxidizable alloy to an internal oxidation regime.
External oxidation is particularly unfavorable to galvanization and galvannealing, while internal oxidation makes it possible to present liquid zinc with a practically pure iron surface, independently of the basic composition, favoring the attachment of the zinc or d coating. zinc alloy. c) Better performance can still be obtained by conducting the annealing operation carried out before the coating operation by dipping under conditions such that the surface is the site of total oxidation, before the iron oxide thus formed is reduced. made of metallic iron, perfectly suited for dip galvanizing.
In most cases, the reduction of the iron oxide created at the start of treatment is ensured by the play of the atmosphere with a high hydrogen content and a low dew point prevailing in the high temperature zone of the annealing furnace.
This latter treatment can advantageously be carried out in continuous annealing ovens provided with a direct flame preheating section (ovens of the second category described above). It should however be observed that the control of the total oxidation beforehand and the subsequent reduction of the iron oxide thus created pose serious technical or servo-control problems in the very frequent case of galvanizing lines having to treat steels of grades. various. In addition, if the steel is heavily loaded with alloying elements such as manganese, silicon or aluminum, these elements are incorporated into the oxide layer and compromise a suitable reduction.
The continuous annealing process, object of the present invention, makes it possible to avoid the abovementioned drawbacks.
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The present invention relates to a process for the continuous annealing of steel strips with a view to their galvanization by quenching. The use in industrial production of an annealing process according to the invention makes it possible to ensure good dip galvanization of all classes of steel. This invention is based on total oxidation controlled in thickness, that is to say first the internal oxidation of most of the addition elements, which takes place in the steel in the vicinity of the oxide interface. / metal and then on the subsequent complete reduction of the surface oxide leading to the formation of a surface film of metallic Fe, the addition elements remaining buried in the form of precipitates of internal oxides.
In accordance with the present invention, a process for continuously annealing a steel strip with a view to dipping it is essentially characterized in that said steel strip is treated in at least three zones, which consist, if the the direction of progression of the strip is considered, in a so-called preheating zone, a so-called annealing zone and a so-called reduction zone, in that the preheating zone comprises heating of the strip in order to form on its surface a controlled oxide film containing from 0.1 to 1 g / m2 of oxygen, in that said heating of the strip in the preheating zone is carried out either by direct flame or by radiation, in that the control of the thickness is obtained either by free modification of the air / gas ratio of the mixture supplying direct flame heating means,
either by controlled air injection into the area in question during heating by radiant means; in that the annealing zone comprises the heating by radiation of said strip from the temperature reached by the latter at the exit from the preheating zone to a selected annealing temperature so as to obtain the formation of the granular structure and the texture required by the final application of the treated strip; in that the atmosphere of the annealing zone is composed of an inert gas or of a mixture of inert gas with respect to steel, for example containing nitrogen and / or argon , and dry (preferably dew point # -10 C);
in that the reduction zone comprises a complete reduction operation of the iron oxide - present in the oxide layer formed in the preheating zone and matured in the annealing zone - by means of a reducing atmosphere consisting of '' a low dew point mixture (preferably # -20 C) of nitrogen and 5% to 75% hydrogen.
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In the context of the present invention, the term inert should be understood as follows.
The atmosphere supplying the annealing zone (section II) is made up to 98% of a gas or a mixture of inert gases such as nitrogen, argon, the balance being composed of variable proportions of unavoidable impurities, of hydrogen and water vapor.
The atmosphere as a whole has a dew point less than or equal to -10 C.
According to a preferred embodiment of the continuous annealing process, object of the present invention, the strip is preheated to a temperature between 650 C and 750 C.
According to another preferred embodiment of the continuous annealing process, object of the present invention, the strip is kept in the annealing zone at a temperature between 650 and 850 C.
Tests have led the applicant to consider that the implementation of the abovementioned continuous annealing process makes it possible to obtain a steel strip having a surface condition particularly suitable for receiving a coating by dip galvanizing.
The surface preparation carried out by the continuous annealing process, which is the subject of the present invention, corresponds to the following scheme: # a total oxidation is first created to prevent the oxidation in the surface film of the alloying elements from forming a barrier against desirable iron / zinc or iron / zinc alloy interactions; # the oxide is then matured, causing the alloying elements of the steel to migrate into the region of the oxide / metal interface, which has the effect of modifying the layer of iron oxide created in the 'total oxidation step and give rise to the internal oxidation of certain alloying elements.
# and finally a reduction is made of this layer of iron oxide (alloying elements) which ultimately leads to a surface made up of reduced iron, which is particularly favorable for producing a quality coating of zinc or zinc alloy.
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According to a modality of implementation of the annealing process, object of the present invention, the steel strip is cooled in the reduction zone by subjecting it to the flow of a cooled and dried gas, preferably said gas is projected towards the steel strip and is composed of 5% to 75% by volume of hydrogen and its dew point is less than -20 C.
According to yet another preferred embodiment of the annealing process, which is the subject of the present invention, gas used for cooling the strip in the reduction zone is withdrawn, the characteristics of said gas are analyzed, preferably, measures its dew point, and the data obtained are used to act on the reaction for the formation of the oxide layer in the preheating zone, either via the air inlet regulation means of the air / gas mixture (section open flame preheating), either via the air injection regulation means (preheating section with radiant tubes) and so as to adjust the physicochemical characteristics of the oxide layer formed in the area preheating, and obtain a total reduction of the latter in the reduction zone.
The present invention also relates to an oven for carrying out the process of continuous annealing of steel strips, object of the present invention.
To explain the operation of the annealing furnace, object of the present invention, reference will be made to an embodiment, as shown in FIG. 1, that is to say comprising, if it is considered in the sense of progression of the strip (B) represented by an arrow, a preheating section (1), an annealing section (II) connected to the previous section by an airlock (S1) and to the next section by an airlock (S2), and finally a reduction, cooling and possible overaging section (III), which introduces the strip (B) into the dip coating bath (C) via a tube (T), said bath (C) being contained in a tank (K).
The continuous annealing furnace of steel strips for carrying out the continuous annealing process, object of the present invention, is essentially characterized in that it comprises, considering it in the direction of progression of the strip (B) treated, a preheating section (1) provided with:
either direct flame heating means, such as
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burners, either radiant heating means, as well as means for regulating the air flow rate both in the air / combustible gas mixture and during the injection of air, an annealing section (II) comprising means radiant heating, and a reduction section (III) comprising means for terminating the temperature maintenance and finally cooling the strip by spraying a gas, preferably a cooled and dried gas circulating in a closed circuit.
The first section (I) called preheating provides heating of the strip to a temperature allowing the formation of an oxide film of a thickness which can be reduced entirely in the third section described above. Remote-controlled valves allow the thickness of the oxide layer to be adjusted by varying the air / gas ratio in the context of an open flame preheating section or act on the injection of air into the case of a radiation preheating section.
The second so-called annealing section (II) is generally separated from the adjacent preheating section by a conventional airlock (S1) and working under gas pressure or a mixture of inert gas vis-à-vis the steel (point dew -30 C), to prevent the entry of gases from the preheating section. This annealing section is heated by means of radiant tubes to bring the steel strip from the preheating temperature to its annealing temperature, and ensures the formation of the granular structure and the texture required by the application considered and allows the oxygen exchanges between the oxide film and the alloying elements contained in the steel.
Finally, the third section (III) called reduction works in slight depression compared to the previous one (but all the same in overpressure compared to the outside of the oven) and is filled with a reducing atmosphere made up of a mixture with very low nitrogen and hydrogen dew point adjustable between 5 and 75% hydrogen fraction. This section is intended to complete the annealing cycle (end of the holding period), to cool the strip, possibly to perform over-aging, before transferring it into the bath (C) of zinc or zinc alloy via a immersion tube (T). It also ensures the complete reduction of the iron oxide layer created in the first section.
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According to a preferred embodiment of the continuous annealing oven, object of the present invention, the reduction section (III) comprises means for sampling and analysis of the gas used to cool the strip (B), preferably means allowing measuring the dew point of said gas and transmitting the data obtained to act on the regulating means located in the preheating section (I) acting either on the air / gas mixture or on the air inlet depending on the type of heating means used.
In fact, the gas used, having a hydrogen concentration of between 5% and 75%, is cooled and dried to a dew point below -20 C and is then blown directly onto the strip. To allow rapid measurements of its dew point, a representative portion of this gas is also sampled by probes emerging in the immediate vicinity of the strip in four places distributed over the end of the maintenance period and the first half of the period cooling of the third section of the oven. The information collected by these probes is used to control the air supply control valves of the first section, so that the oxide created in it is fully reduced in the third section.
To explain the results obtained during the implementation of the annealing process, object of the present invention, on steel strips of the dual phase type, reference will also be made to Figures 2a, 2b, 2c, 2d and 3.
Figures 2a, 2b, 2c and 2d represent the results of an analysis by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) of the surface of a dual phase steel containing 0.14% carbon, 1.5% manganese, 0.4% silicon and 0.05% aluminum after the oxidation step in the preheating section (1), annealing in section (II) and reduction in section (III), at the inlet of the trunk (T).
The units are respectively, on the abscissa, the ion spraying time t of the analyzed sample, expressed in seconds, and on the ordinate, the intensities Is of secondary ions detected, expressed in counts per second.
FIG. 2a represents the detection profile of the secondary ions FeO- which are characteristic of the presence of iron oxides.
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The thick line (P) refers to the state of the strip (B) at the entrance to the airlock (S1). Its evolution indicates the presence of a layer of iron oxides evaluated approximately at 0.35 g / m2 of oxygen.
The thin line (R) refers to the state of the band (B) at the entrance of the tube (T). Its evolution shows that the iron oxide of the previous profile (P) has been almost entirely reduced and that only a few traces remain at the interface between a reduced iron layer and the starting steel.
FIGS. 2b, 2c and 2d relate respectively to the secondary ions SiO-, MnO- and AIO-.
As in FIG. 2a, the curve (P) in thick line relates to the state of the strip (B) at the entrance to the airlock (S1) and the curve (R) in fine line relates to the 'state of the band (B) at the entrance of the tube (T).
The instantaneous intensities measured are as a first approximation proportional to the quantity of oxides SiO2, MnO and Al2O3 respectively.
The analysis of the curves (P) in the case of Si02 and AI203 makes it possible to note, after the preheating phase in section (1), at the oxide-metal interface, a local enrichment of these species.
After the reduction treatment (section III), the curves (R) show that the quantity of oxides, respectively Si02 and AI2O3, increases notably at the level of this old interface.
In FIG. 2d, the curve (P) shows a uniform distribution of MnO of the latter in the oxide layer formed during preheating. After reduction, that is to say at the exit of section (III), the curve (R) shows that the MnO oxide is found concentrated at the location of the old oxide-metal interface.
It is mainly observed that after oxidative preheating in section (I) and reduction in section (III), the oxides Si02, AI2O3 and MnO are entirely absent from the surface of the strip (B).
FIG. 3 is the representation of secondary ion profiles C- recorded from the surface of the same steel after the preheating step (curve P) and after that of annealing (curve R). Curve (P) shows that the nominal concentration of C (carbon) is
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reached as soon as the oxide layer has been ionically eroded. Curve (R) shows a significant decarburization (D) of the steel located behind the reduced oxide layer. The decarburized zone obtained during the passage of the strip in sections (II) and (III) of the annealing extends beyond the depth analyzed.
The operation of this oven can be schematized as follows: a) In the preheating section, the air / gas mixture supplying the burners or the injection of air into the radiant oven is adjusted as indicated below to ensure the total surface oxidation strictly necessary to obtain a coating of the desired quality. b) The section of the furnace working under slight overpressure of pure and dry nitrogen ensures, under optimal conditions, the internal oxidation of the elements of the steel which are detrimental to galvanization. Various metallurgical phenomena take place in this section: # The reaction sought is the exchange of oxygen between the iron oxide film and the more oxidizable elements present in the steel:
EMI11.1
M can be, for example: Mn, Si, AI, etc.
This reaction takes place in three stages: 1) Dissociation of the oxide at the oxide / metal interface, the oxygen activity corresponding to the dissociation pressure of the iron oxide at the annealing temperature.
2) Atomic oxygen diffuses into the metal.
3) The increase in the activity of oxygen in the metal beyond the dissociation pressure of the oxide MOy causes the precipitation of this oxide within the metal matrix and in the vicinity of the interface.
This mechanism is active in all cases, without any production of water, thus maintaining the dew point at its starting level. Its intensity obviously varies with the class of steel considered. The internal oxidation (see symbol (O)) of manganese, silicon and aluminum is manifested by a much slower decrease
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in the annealed state, signals MnO-, SiO- and AIO- representative of the abundance of the corresponding oxides in the metal matrix.
# Inside the oxide layer, the iron tends to diffuse towards the surface and the alloying elements present in this layer such as manganese, silicon and aluminum migrate towards the oxide / metal interface, to y form mixed oxides (Fe O) x. (My
Oz) w more stable. This phenomenon leads to the purification (cf. symbol (E)) of the iron oxide layer which appears clearly in FIGS. 2a to 2d.
# The free carbon in the steel will diffuse through the oxide layer and exchange oxygen on its surface, thereby ensuring a mode of reduction of this oxide:
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This reduction starts from the outside of the oxide layer and gradually propagates inwards without release of water vapor, but leads to a certain decarburization of the steel in the vicinity of the oxide / metal interface like shows figure 3.
It is obviously only active in steels containing a sufficient amount of free carbon and therefore does not for example take place in stabilized ultra low carbon steels. c) The low-dew point HNX atmosphere in the third section of the furnace makes it possible to reduce the hydrogen film of purified iron oxide which has resisted the active reducing mechanisms in the second section. In cases where these would have been perfectly active, no further reduction can occur and the dew point of the mixture remains at its starting level. In other cases, the classic reaction:
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inevitably leads to an increase in the dew point, controlled in the immediate vicinity of the strip.
Ideally, the reduction of iron oxide should be complete between the second and the third sampling point at the start of the cooling period of the third section of the furnace. Gas characterization and more
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in particular, measuring the dew point makes it possible to check that these operating conditions are actually achieved, because under these conditions, the dew point drops appreciably from the first to the last sampling point. This operating state is obtained by acting on the air injection at preheating. This creates a control loop to keep the oven in ideal operating conditions, regardless of the type of steel treated.
The oven must therefore be operated at the limit of the dew point increase at the latest at the last sampling point of the third section of the oven, by acting on the air / gas ratio of the mixture supplying the preheating burners, as well as the oxygen intake in the radiant tube preheating section.
The ideal processing conditions therefore correspond to an initial total oxidation sufficient to eliminate the undesirable effects of a selective oxidation of the alloying elements, while allowing the complete reduction of the iron oxide in the third section of the furnace.
The advantages of implementing both the continuous annealing process and the annealing oven which is the subject of the invention are multiple: a) The thermal efficiency of the preheating section is higher in a situation of slight excess air, that is to say slightly oxidizing, than in an air fault situation. The deliberate search for an oxidizing atmosphere for iron therefore results in savings in gas consumption costs. b) The annealing section, being put in slight overpressure compared to the other two sections prevents the transport of the gases generated in the preheater beyond the airlock which separates it from the second section, thus maintaining the dew point of the atmosphere of nitrogen it contains.
The possible transport of nitrogen from the second section to the third (which works under an HNX atmosphere) obviously remains without harmful consequences from a metallurgical point of view. c) The absence of water production by the active reducing mechanisms in the annealing section makes it possible to maintain the dew point at its low starting level, guaranteeing the long-term effectiveness of these mechanisms. d) It is only when working on steels with a high free carbon content that the atmosphere of the annealing section can contain a certain amount of CO: it can
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then prove useful to renew this atmosphere.
In any event, this gas consumption remains significantly less costly than the renewal of the HNX atmospheres of conventional annealing ovens. e) When the preheating and annealing sections work properly, the consumption of hydrogen in the final section of end of maintenance and possible overaging is low.
In any event, the small volume of this section compared to the entirety of conventional ovens naturally makes the maintenance of this atmosphere significantly less costly. f) The continuous measurement of the dew point of the gaseous mixture of the final section at the end of maintenance, cooling and possible overaging allows fine adjustment of the oxidizing power of the atmosphere prevailing in the preheating, ensuring for all classes of steel the same efficiency of the oxidation / reduction process guaranteeing good galvanizability.