BE1017086A3 - Procede de recuit et preparation en continu d'une bande en acier a haute resistance en vue de sa galvanisation au trempe. - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapporte à un procédé de recuit et de préparation en continu d'une bande en acier de haute résistance, en vue de son revêtement au trempé à chaud dans un bain de métal liquide, selon lequel on traite ladite bande d'acier dans au moins deux sections, comprenant successivement, si l'on considére le sens de progression de la bande: une section dite de chauffe et de maintien, dans laquelle est réalisé un chauffage de la bande suivi d'un maintien à une température donnée de recuit sous une atmosphère oxydante; une section dite de refroidissement et de tranfert, dans laquelle la bande recuite au moins refroidie et subit une réduction complète, sous une atmosphère réductrice, de l'oxyde de fer présent dans la couche d'oxyde formée dans la section précédente; tel qu'on sépare l'atmophère oxydante de l'atmosphère réductrice, on maintient une teneur en oxygène contrôlée dans la section de chauffe et de maintien entre 50 et 1000 ppm et on maintient une teneur en hydrogène contrôlée dans la section de refroidissement et transfert à une valeur inférieure à 4% et de préférence inférieure à 0,5%.
Description
PROCEDE DE RECUIT ET PREPARATION EN CONTINU D'UNE BANDE ENACIER A HAUTE RESISTANCE EN VUE DE SA GALVANISATION AU
TREMPE
Objet de l'invention
[0001] La présente invention se rapporte à unnouveau procédé de recuit et préparation en continu d'unebande en acier à haute résistance en vue de son revêtementau trempé à chaud dans un bain de métal liquide, depréférence une galvanisation ou un traitement dit de« galvannealing ».
[0002] Le domaine technique considéré ici est celui de la galvanisation par défilement continu, dans un bain derevêtement composé de zinc ou d'alliage de zinc, de bandesd'aciers fortement chargés en éléments d'alliage, plusparticulièrement d'aciers HSS (high 'strength steels). Cesaciers spéciaux réputés difficiles à galvaniser sont parexemple des aciers pouvant contenir des teneurs en élémentsd'alliage (aluminium, manganèse, silicium, chrome, etc.)allant jusqu'à 2 % ou au-delà, des aciers inoxydables, « dual phase », TRIP, TWIP (jusqu'à 25 % Mn et 3 % Al),etc. Ces bandes d'acier sont en général destinées à unedécoupe et mise en forme ultérieure par emboutissage,pliage, etc., en vue d'applications par exemple dans lesecteur de l'automobile ou de la construction.
Etat de la technique
[0003] Il est bien connu que certains aciers nerépondent pas bien à la galvanisation ou au traitement degalvannealing, compte tenu de leur réactivité superficiellespécifique. Le pouvoir de galvanisation dépendessentiellement de la bonne élimination des résidus d'huilede laminage et de la prévention d'une oxydationsuperficielle excessive avant immersion dans le bain demétal liquide. Ainsi, un manque de mouiHabilité du zincliquide sur des nuances d'aciers fortement chargées enéléments d'alliage peut être rencontré au cours du procédéde galvanisation en continu. Cette diminution de mouillagedu zinc s'explique par la présence d'une couche d'oxydessélectifs dans la couche externe de la surface de la bande(« extrême surface ») . Ces oxydes sélectifs sont créés parla ségrégation des éléments d'alliage et leur oxydation parla vapeur d'eau, au cours du recuit continu précédentl'immersion dans le bain de zinc. La vapeur d'eau estgénérée à cet endroit par la réduction de l'oxyde de fer,toujours présent sur la tôle laminée à froid, parl'hydrogène contenu dans l'atmosphère des fours de recuit.
[0004] Dès lors, on a cherché à supprimer l'oxydation sélective en mode externe ou à la faire migrerà l'intérieur de l'acier, à 1 ou 2 μιη sous la coucheexterne de la surface, pour permettre de présenter au zincliquide une couche de fer métallique pratiquement pur,indépendamment de la composition d'alliage et favorisantl'accrochage du revêtement de zinc ou d'alliage de zinc. Cerésultat peut être obtenu par différents procédés : - augmentation du point de rosée pendant le maintien àhaute température (par exemple JP-A-2005/068493), demanière à faire basculer l'oxydation sélective deséléments d'alliage du mode externe au mode interne ; - oxydation totale du fer pendant l'étape de chauffe, en augmentant par exemple le rapport air/gaz combustibledans les brûleurs du four à flammes directes, puisréduction en fer métallique pendant le maintien à hautetempérature par l'hydrogène (par exemple JP-A- 2005/023348, JP-A-07 034210, etc.) ou réduction par lecarbone libre de l'acier qui diffuse, le cas échéant, autravers de la couche d'oxyde et échange de l'oxygène àla surface de celle-ci (voir par exemple BE-A-1 014997) ; - pré-dépôt de fer ou de nickel (par exemple JP-A-04280925, JP-A-2005/105399).
[0005] Ces procédés imposent généralement de travailler en atmosphère réductrice pour l'acier pendant laphase de maintien à haute température, nécessitant un baspoint de rosée et une teneur élevée en hydrogène (jusqu'à75 % du gaz d'atmosphère) qui est un gaz coûteux. Ilspermettent tous d'améliorer la « galvanisabilité » desaciers de haute résistance avec une efficacitésignificative mais cependant insuffisante, surtout dans lecas de certains aciers contenant par exemple des teneursimportantes en silicium (environ 1,5 % en poids). Par ailleurs, les procédés nécessitant un pré-dépôt présententdes coûts très élevés.
[0006] Selon un exemple de procédé déjà connu dansl'état de l'art, une installation de recuit et préparationd'une bande d'acier pour la galvanisation comprendtypiquement, dans le sens de progression de la bande : - une première section de (pré)chauffage assurant lechauffage de la bande jusqu'à une température permettantla formation d'un film d'oxyde d'épaisseur adéquate(environ 50 nanomètres) pour sa réduction ultérieure ;cette section se trouve sous une atmosphère rendueoxydante par adjonction d'air ou d'oxygène, par exemple sous la forme d'un mélange air/gaz combustible dans lecas d'un four à flamme directe ou d'air seul dans le casd'un four radiant ; — une deuxième section de recuit, séparée de la section dechauffage par un sas conventionnel, où la bande estmaintenue à la haute température de recuit et qui setrouve sous une atmosphère inerte en surpression, pour yempêcher l'entrée des gaz de la section de chauffe ; - une troisième section de réduction, également séparée dela deuxième section par un sas conventionnel, sous uneatmosphère en légère dépression par rapport à celle-cimais en légère surpression par rapport à l'ambiante ;cette section est destinée à terminer le cycle de recuit(fin de la période de maintien), à refroidir la bande etéventuellement à effectuer un survieillissement avant dela transférer dans le bain de métal liquide via unetrompe d'immersion ; dans cette zone, la couche d'oxydecréée dans la première section est idéalement réduitecomplètement par une atmosphère hydrogène/gaz inerte àtrès bas point de rosée.
[0007] Bien entendu, on connaît aussi des fours derecuit plus simples ou plus complexes, comprenanttypiquement entre une et quatre sections distinctes, pourréaliser les fonctions respectives de (pré-)chauffe,maintien, refroidissement, survieillissement, etc.
Buts de 11 invention
[0008] La présente invention vise à fournir unesolution qui permette de s'affranchir des inconvénients del'état de la technique.
[0009] En particulier, l'invention vise à fournir unprocédé de recuit et préparation en vue d'une galvanisationd'aciers de haute résistance qui soit plus économique, cette dernière étant effectuée avec ou sans traitementthermique d'accompagnement de type galvannealing.
[0010] L'invention a encore pour but de permettreune préparation d'aciers de haute résistance pour lagalvanisation, qui soient exempts de défauts de fragilité.
[0011] En particulier, l'invention a pour but de fournir ion procédé de recuit sous atmosphère confinéeexempte d'hydrogène ajouté.
[0012] Un but complémentaire de l'invention est d'empêcher l'oxydation sélective d'éléments d'alliage dansla couche la plus externe de la surface de la bande aucours de l'étape d'oxydation totale lors du recuit continuprécédent le refroidissement et l'immersion dans le bain dezinc.
Principaux éléments caractéristiques de l'invention
[0013] La présente invention se rapporte à un procédé de recuit et de préparation en continu d'une bandeen acier de haute résistance, en vue de son revêtement autrempé à chaud dans un bain de métal liquide, selon lequelon traite ladite bande d'acier dans au moins deux sections,comprenant successivement, si l'on considère le sens deprogression de la bande : - une section dite de chauffe et de maintien, danslaquelle est réalisé un chauffage de la bande suivi d'unmaintien à une température donnée de recuit sous uneatmosphère oxydante comprenant un mélange air (ouoxygène)/gaz non oxydant ou inerte, en vue de former surla surface de la bande un fin film d'oxyde dontl'épaisseur, comprise de préférence entre 0,02 et 0,2μιη, est contrôlée, ledit chauffage de la bande étanteffectué soit par flamme directe, soit par rayonnement ; - une section dite de refroidissement et de transfert,dans laquelle, avant son transfert au bain de revêtement, la bande recuite au moins est refroidie etsubit une réduction complète en fer métallique del'oxyde de fer présent dans la couche d'oxyde forméedans la section de chauffe et de maintien, sous uneatmosphère réductrice comprenant un mélange à basseteneur en hydrogène et gaz inerte, les deux ditessections étant séparées l'une de l'autre par un sasconventionnel ; caractérisé en ce qu'on sépare au moins partiellementl'atmosphère oxydante de l'atmosphère réductrice, en cequ'on maintient une teneur en oxygène contrôlée dans lasection de chauffe et de maintien entre 50 et 1000 ppm eten ce qu'on maintient une teneur en hydrogène contrôléedans la section de refroidissement et transfert à unevaleur inférieure à 4 % et de préférence inférieure à 0,5 %.
[0014] Il faut entendre par réduction complète del'oxyde de fer, une réduction de celui-ci à au moins 98 %.
[0015] Avantageusement, on maintient la teneur enoxygène contrôlée dans la section de chauffe et de maintienentre 50 et 400 ppm.
[0016] Selon une première modalité préférée de réalisation de l'invention, la séparation de l'atmosphèreoxydante de l'atmosphère réductrice est réalisée par unesurpression de l'atmosphère oxydante, pour que l'oxygèneentraîné par la bande dans la zone de refroidissement ettransfert à travers le sas, suite à cette surpression,réagisse complètement avec l'hydrogène contenu dans l'atmosphère de refroidissement en formant de la vapeurd'eau.
[0017] Selon une deuxième modalité préférée deréalisation de l'invention, on laisse réagir l'hydrogène, présent dans la section de refroidissement et transfert,entraîné dans le flux gazeux chaud dirigé vers l'amont,avec l'oxygène provenant de la section de chauffe et demaintien pour former de la vapeur d'eau. Dans ce cas, lasection de refroidissement et transfert est maintenue ensurpression par rapport à la section de chauffe etmaintien. Comme le gaz en surpression ne peut s'échappervers le bain de métal liquide, il remonte en effet vers lazone de chauffe et maintien.
[0018] Selon l'invention, le contrôle du contenu enoxygène de la couche d'oxyde formée dans la section dechauffe et de maintien est obtenu soit par modification dumélange gazeux contenant de l'air comburant alimentant desmoyens de chauffage par flamme directe, soit par injectioncontrôlée du mélange air (ou oxygène)/gaz inerte dans lecas d'un chauffage par rayonnement ou induction.
[0019] De préférence, le gaz non oxydant ou inerteest l'azote ou l'argon.
[0020] Avantageusement, le métal liquide est le zincou un de ses alliages.
[0021] Toujours avantageusement, la zone de chauffeet maintien est dépourvue d'atmosphère réductrice.
[0022] De préférence, le procédé de revêtement autrempé à chaud est une galvanisation ou un traitement dega1vannea1ing.
[0023] Toujours selon l'invention, l'atmosphère tantdans la section de chauffe et de maintien que dans lasection de refroidissement et de transfert a un point derosée inférieur ou égal à -10°C, de préférence à -20°C.
[0024] Selon une modalité opérationnelle préférée,l'on chauffe la bande à une température comprise entre650°C et 1200°C, en ce compris la température de maintien.
[0025] Selon une autre modalité opérationnellepréférée, l'on refroidit ensuite la bande jusqu'à une température supérieure à 450°C, avec une vitesse derefroidissement comprise entre 10 et 100°C/s.
Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention
[0026] Un procédé économique, proposé selonl'invention, vise à réaliser l'étape de recuit préparatoireà la galvanisation, sans ajout d'hydrogène, gaz qui est dixfois plus cher qu'un gaz plus commun tel que l'azote et quiest cause en outre de graves défauts de fragilité desaciers de résistance.
[0027] L'invention vise à obtenir une galvanisationparfaite pour toutes les nuances d'acier de résistance.Pour éviter l'oxydation des éléments d'alliage en extrêmesurface, il est proposé d'injecter un mélange air/azotedans le four pendant tout le cycle de (pré-)chauffage et demaintien de la tôle à haute température.
[0028] Ce procédé ne nécessite donc pas deséparation d'atmosphère dans toute la partiechauffe/maintien comme cela est le cas dans d'autresprocédés (par exemple JP-A-2003/342645) où des zonesréactives en dépression sont incluses au niveau de cettepartie du four.
[0029] L'oxygène contenu dans- le mélange air/azoteaura pour effet de créer dans la section de recuit deuxréactions simultanées et compétitives : - l'oxydation du fer par l'oxygène en extrême surface aveccroissance de l'oxyde de fer par diffusion de fer ensurface. Ainsi, tant qu'une fine couche d'oxyde de fersubsiste en surface de la tôle, les éléments d'alliage,à l'exception du manganèse, sont bloqués à l'interfaceacier/oxyde de fer ; - la réduction subséquente de l'oxyde de fer par diffusiondu carbone libre vers l'interface acier/oxyde de fer.
[0030] Les éléments d'alliage participent égalementà la réduction de l'oxyde de fer lorsqu'ils migrent àl'interface acier/oxyde de fer.
[0031] L'atmosphère air/azote de la partiechauffe/maintien devra toutefois être séparée etpartiellement isolée de l'atmosphère non oxydante desétapes de refroidissement et de transfert de la bandejusque dans le bain de zinc. Pour ce faire, l'atmosphèreoxydante sera, de préférence, maintenue en surpression parrapport à l'atmosphère non oxydante de telle manière quel'oxygène entraîné par la tôle réagisse complètement avecl'hydrogène contenu dans l'atmosphère de la section derefroidissement.
[0032] Dans une telle configuration, un aciercontenant entre autres 1,2 % d'aluminium sera par exemplechauffé et recuit jusqu'à une température de 800°C dans uneatmosphère contenant 100 ppm d'oxygène dans de l'azote. Ala fin du maintien qui dure une minute, la tôle estrefroidie jusqu'à 500°C à une vitesse de 50°C/s dans uneatmosphère contenant 4 % d'hydrogène et 0,1 % de vapeurd'eau, ce qui correspond à un point de rosée de -20°C.Cette tôle est ensuite introduite à la température de 470°Cdans un bain de zinc, contenant 0,2 % d'aluminium, qui estmaintenu à 460°C. Après une immersion de 3 secondes, lerevêtement est essoré de manière à garder une couche dezinc de 8 μιη. Un tel dépôt de zinc est alors parfaitementmouillant et présente des qualités d'adhérence comparablesà celle obtenue pour un acier à bas carbone ordinaire.
[0033] Pour citer un autre exemple, le même procédépourra être appliqué sur un acier contenant entre autres1,5 % de silicium. Dans ce cas toutefois, il faudraaugmenter la teneur en oxygène pendant d'étape de chauffe /maintien à 300 ppm pour obtenir un résultat comparable.Cette augmentation de la teneur en oxygène est nécessaire car le silicium freine la diffusion du fer en assurant unebarrière d'oxyde de silicium à l'interface acier / oxyde defer.
[0034] Une autre manière de procéder est de laisserle flux habituel s'établir depuis le bain de zinc vers lasection de chauffe et de laisser la très faible teneur enhydrogène (<0,5 %) , contenue dans la section detransfert/refroidissement, réagir avec l'oxygène de lapartie chauffe/maintien pour former de la vapeur d'eau. Unapport supplémentaire en oxygène, à la sortie de la sectionde maintien, pourra être fait pour neutraliser l'entréed'hydrogène, les teneurs mises en œuvre étant toujourssituées très loin du domaine dangereux, c'est-à-direexplosif (4 % H2 dans l'air).
[0035] Une teneur élevée en hydrogène n'est en effetpas nécessaire dans la section de refroidissement car lecarbone de l'acier sera suffisant pour réduire la finecouche d'oxyde de fer créée dans la partie chauffe/maintienet le fer métallique ainsi préparé assurera une bonnemouillabilité par le zinc lors de l'immersion de la tôledans le bain.
[0036] Pour être efficace, ce procédé devra prévoirde contrôler la teneur en oxygène dans le four àl'intérieur de l'intervalle compris entre 50 et 1000 ppm.En effet une teneur trop faible ne permettra pas deréaliser une couche d'oxyde de fer suffisamment étanche àla diffusion des éléments d'alliage vers l'extrême surfaceet une teneur trop élevée en oxygène produira une couched'oxyde de fer trop épaisse, qui ne pourra pas être réduiteau cours des étapes de refroidissement et de transfert versle bain de zinc. Cette teneur en oxygène sera de préférencesituée dans une fourchette de 50 à 400 ppm.
[0037] L'invention présente un certain nombred'avantages, dont notamment le fait : - qu'on procède à un ajout d'hydrogène beaucoup plusfaible que dans l'état de la technique, voire nul, dansla zone de chauffe-maintien, ce qui constitue uneimportante économie d'exploitation et garantitl'obtention d'acier de haute résistance présentant moinsde défauts de fragilité ; - qu'on ne sépare plus la section de chauffe de la sectionde maintien à la température de recuit, ce qui permetd'économiser un sas ainsi que d'éviter éventuellement undédoublement des équipements de contrôle de l'atmosphèregazeuse ; - que ce procédé est beaucoup plus efficace que lesprocédés connus dans l'état de la technique, du point devue de l'adhérence du revêtement ou de la mouillabilitéde la bande ; - que l'atmosphère gazeuse utilisée est moins fragilisantepour l'équipement (par exemple les tubes radiants),notamment suite à la réduction de la teneur de celle-cien hydrogène.
Claims (12)
1. Procédé de recuit et de préparation encontinu d'une bande en acier de haute résistance, en vue deson revêtement au trempé à chaud dans un bain de métalliquide, selon lequel on traite ladite bande d'acier dansau moins deux sections, comprenant successivement, si l'onconsidère le sens de progression de la bande : - une section dite de chauffe et de maintien, danslaquelle est réalisé un chauffage de la bande suivi d'unmaintien à une température donnée de recuit sous uneatmosphère oxydante comprenant un mélange air (ouoxygène)/gaz non oxydant ou inerte, en vue de former surla surface de la bande un fin film d'oxyde dontl'épaisseur, comprise de préférence entre 0,02 et 0,2(im, est contrôlée, ledit chauffage de la bande étanteffectué soit par flamme directe, soit par rayonnement ; - une section dite de refroidissement et de transfert,dans laquelle, avant son transfert au bain derevêtement, la bande recuite au moins est refroidie etsubit une réduction complète en fer métallique del'oxyde de fer présent dans la couche d'oxyde forméedans la section de chauffe et de maintien, sous uneatmosphère réductrice comprenant ' un mélange à basseteneur en hydrogène et gaz inerte, les deux ditessections étant séparées l'une de l'autre par un sasconventionnel ; caractérisé en ce qu'on sépare au moins partiellementl'atmosphère oxydante de l'atmosphère réductrice, en cequ'on maintient une teneur en oxygène contrôlée dans lasection de chauffe et de maintien entre 50 et 1000 ppm eten ce qu'on maintient une teneur en hydrogène contrôléedans la section de refroidissement et transfert à une valeur inférieure à 4 % et de préférence inférieure à0,5 %.
2. Procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce qu'on maintient la teneur en oxygènecontrôlée dans la section de chauffe et de maintien entre50 et 400 ppm.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2,caractérisé en ce que la séparation de l'atmosphèreoxydante de l'atmosphère réductrice est réalisée par unesurpression de l'atmosphère oxydante, pour que l'oxygèneentraîné par la bande à travers le sas réagissecomplètement avec l'hydrogène contenu dans l'atmosphère derefroidissement en formant de la vapeur d'eau.
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2,caractérisé en ce qu'on laisse réagir l'hydrogène, présentdans la section de refroidissement et transfert qui est ensurpression par rapport à la section de chauffe et demaintien, entraîné dans le flux gazeux chaud dirigé versl'amont, avec l'oxygène provenant de la section dè chauffeet de maintien pour former de la vapeur d'eau.
5. Procédé selon l'une quelconque desrevendications précédentes, caractérisé en ce que lecontrôle du contenu en oxygène de la.couche d'oxyde forméedans la section de chauffe et de maintien est obtenu soitpar modification du mélange gazeux contenant de l'aircomburant alimentant des moyens de chauffage par flammedirecte, soit par injection contrôlée du mélange air (ouoxygène)/gaz inerte dans le cas d'un chauffage parrayonnement ou induction.
6. Procédé selon l'une quelconque desrevendications précédentes, caractérisé en ce que le gaznon oxydant ou inerte est l'azote ou l'argon.
7. Procédé selon l'une quelconque desrevendications précédentes, caractérisé en ce que le métalliquide est le zinc ou un de ses alliages.
8. Procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce que la zone de chauffe et maintien estdépourvue d'atmosphère réductrice.
9. Procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce que le procédé de revêtement au trempé àchaud est une galvanisation ou un traitement degaivannealing.
10. Procédé selon l'une quelconque desrevendications précédentes, caractérisé en ce quel'atmosphère dans la section de chauffe et de maintien etdans la section de refroidissement et de transfert a unpoint de rosée inférieur ou égal à -10°C, de préférence à -2 0°C.
11. Procédé selon l'une quelconque desrevendications précédentes, caractérisé en ce que l'onchauffe la bande à une température comprise entre 650°C et1200°C, en ce compris la température de maintien.
12. Procédé selon la revendication 15,caractérisé en ce que l'on refroidit ensuite la bandejusqu'à une température supérieure à 450°C, avec unevitesse de refroidissement comprise entre 10 et 100°C/s.
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