BE1018124A3

BE1018124A3 - Procede d'essorage de bandes metalliques.

Info

Publication number: BE1018124A3
Application number: BE2008/0365A
Authority: BE
Inventors: Jean Crahay; Pascal Gerkens; Ana Isabel Farinha; Michel Bordignon; Yves Hardy
Original assignee: Ct Rech Metallurgiques Asbl
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2010-05-04

Description

PROCEDE D'ESSORAGE DE BANDES METALLIQUES Objet de 1 ' invention

[0001] La présente invention se rapporte à un procédé d'essorage de bandes et fils métalliques en défilement continu, après avoir subi une opération de revêtement au trempé à chaud, au moyen d'un jet de gaz lourd, ainsi qu'à une installation pour la mise en oeuvre du procédé et pour la récupération de ces mêmes gaz.

Etat de la technique [0002] On connaît la technique dite de revêtement au trempé , qui constitue une méthode à la fois simple et efficace pour déposer un revêtement à la surface d'un objet. Une application typique de revêtement au trempé est la galvanisation des bandes et fils en acier. Selon cette technique, après une éventuelle préparation de la surface, l'objet à revêtir<'> traverse en continu un bain comprenant le produit que l'on veut déposer sur ledit objet. Typiquement le métal liquide est un métal ou un alliage à bas point de fusion comme le zinc, l'aluminium, le magnésium et leurs alliages. L'objet est ensuite extrait du bain. Par effet de mouillage et de viscosité, l'objet entraîne à sa surface une quantité importante de liquide.

On procède alors à l'enlèvement de l'excès de liquide et le revêtement est rendu solide, par exemple par séchage, solidification par refroidissement, polymérisation, etc. [0003] L'une des applications les plus répandues de cette technique est le revêtement de pièces en acier au moyen d'un métal fondu tel que le zinc qui lui servira ensuite de protection contre la corrosion. Elle est illustrée sur la figure 1 qui représente une installation de galvanisation au trempé.

[0004] La partie gauche de la figure 1 représente une section dans une installation de galvanisation au trempé. Une bande métallique 1 sort d'un four de traitement 2 et est forcée de passer dans un bain de zinc 3 par un rouleau immergé 4. Elle sort verticalement du bain de zinc et l'excès de zinc est enlevé par des jets de gaz générés par ce qu'on appelle les couteaux d'essorage ou essoreurs , qui portent le repère 5. La partie droite de la figure 1 représente une vue agrandie de la zone d'essorage. On voit comment les systèmes d'essorage 5 sont construits. Ils comportent un canal de distribution, ici de section triangulaire, dont le gaz d'essorage sort par une fente mince 6. On voit aussi comment les essoreurs réduisent l'épaisseur de la couche de zinc, représentée par les courbes 7, pour l'amener à sa valeur finale.

Deux paramètres importants sont d'une part l'ouverture de la fente des couteaux d' essorage notée d et la- distance entre chaque couteau d'essorage et la bande, cette distance étant notée Z.

[0005] Après passage dans le bain de métal liquide, la bande revêtue subit ainsi l'opération d'essorage. Cette opération est l'une des plus importantes dans le procédé de revêtement au trempé car elle permet la maîtrise de l'épaisseur finale de revêtement. D'une part, l'essorage doit être homogène sur toute la section , c'est-à-dire la largeur pour une bande et la circonférence pour un fil, et sur toute la longueur du produit à revêtir. En même temps, cette opération doit limiter strictement le dépôt à la valeur visée, que l'on exprime d'habitude soit en terme d'épaisseur déposée - typiquement de 3 à 20 [mu]m -, soit en poids de la couche déposée par unité de surface typiquement de 20 à 150 gr/m<2>. [0006] Comme précédemment mentionné, l'essorage est le plus souvent réalisé au moyen de jets de gaz.

Actuellement, les gaz utilisés sont l'air ou l'azote. Ce dernier est utilisé pour les qualités les plus élevées telles que, par exemple, les bandes d'acier destinées à la fabrication de pièces visibles pour la carrosserie automobile. En effet, l'azote présente l'avantage de ne pas oxyder le zinc excédentaire qui reflue vers le bac. [0007] Deux facteurs poussent actuellement à augmenter les performances de l'essorage: d'une part, la volonté d'augmenter la productivité des lignes de galvanisation; d'autre part, la nécessité de réduire les épaisseurs de revêtement et ce pour des raisons tant économiques que techniques. Or, les deux aspects sont antagonistes : en effet, de plus grandes vitesses de bande au sortir du bain de revêtement résultent en un entraînement plus important de liquide.

Il est donc nécessaire d'essorer plus efficacement si on veut augmenter la vitesse tout en n'augmentant pas l'épaisseur. [0008] On constate que la configuration actuelle des essoreurs à gaz ne permet pas d'améliorer ces performances de manière notable. La formulation classique donnant l'épaisseur résiduelle en fonction de différents paramètres reste d'application. De manière simplifiée, cette formule indique que l'épaisseur finale est influencée par: - la distance Z entre les essoreurs et la bande (cf. figure 1) ou de manière adimensionnelle le rapport Z/d entre la distance à la bande et l'ouverture des couteaux (cf. figure 1) : plus ce rapport est grand, moins énergique est l'essorage, donc plus grande est l'épaisseur finale du revêtement ;

- la pression des jets d'essorage: plus élevée est la pression du gaz d'essorage, plus efficace est l'essorage donc plus petite est l'épaisseur finale du revêtement ;

- la vitesse de la bande: plus grande est la vitesse et plus importante est l'épaisseur entraînée donc plus difficile est l'essorage.

(voir par exemple "Mathematical Modelling of Jet Finishing Process for Hot-Dip Coatings on Steel Strip", dans ISIJ International, Vol. 45 (2005), N[deg.]2, pp. 209-213). [0009] Pour augmenter l'efficacité, dans la conception actuelle, il faut donc soit diminuer la distance entre l'essoreur et la bande, soit augmenter la pression d'essorage. On observe que l'une et l'autre de ces actions atteignent rapidement leurs limites.

[0010] Diminuer la distance ne peut se faire qu'en conservant une distance de sécurité par rapport au risque de collision entre la bande en défilement continu et l'essoreur fixe. Or, les défauts de planéite et le risque de vibrations de la bande ne permettent guère de diminuer cette distance en-deçà de 10 mm. Plus bas, on risque le contact entre la bande couverte de zinc liquide et l'essoreur ou encore un problème d'homogénéité lié aux défauts de planéite de bande. En effet, les variations relatives de la distance bande-essoreur deviennent plus importantes lorsque la valeur moyenne de la distance diminue. [0011] Augmenter la pression n'est pas non plus une solution absolue.

On sait en effet qu'augmenter la pression à relativement faible distance provoque le splashing , c'est-à-dire le décollement de la veine de reflux, avec des éclaboussures dommageables pour l'équipement (voir par exemple : "Effect of nozzle tilting on splashing in jet iping", M. Dubois et al., dans Galvatech' 04 , Proceedings Chicago 2004, pp 197-206).

Buts de 1 ' invention

[0012] La présente invention vise à fournir un procédé d'essorage de bandes métalliques revêtues au trempé permettant de remédier aux inconvénients de l'état de la technique. [0013] En particulier, l'invention a pour but de fournir un procédé d' essorage améliorant de manière notable l'efficacité de l'essorage.

[0014] La présente invention vise également à fournir un procédé de récupération des gaz utilisés pour l'essorage, gaz qui peuvent être coûteux et/ou nocifs à forte concentration.

Principaux éléments caractéristiques de 1 ' invention

[0015] La présente invention divulgue un procédé d'essorage d'un produit métallique en défilement continu, suite à une opération de revêtement au trempé à chaud dans un bain de métal liquide, caractérisé en ce que l'essorage est effectué au moyen de jets d'un gaz lourd de masse moléculaire supérieure ou égale à 40. Une application particulière de ce procédé est le revêtement au trempé de produits métalliques plats (bandes, tôles) ou longs (fils).

Plus particulièrement encore, le procédé s'appliquera avantageusement à la galvanisation de bandes d'acier. [0016] La présente invention divulgue également une installation pour le revêtement d'un produit métallique au trempé à chaud dans un bain de métal liquide, comprenant un dispositif d'essorage par jet de gaz en sortie de bain pour la mise en oeuvre du procédé selon l' invention, caractérisée en ce que ladite installation comprend un dispositif de récupération et recyclage de gaz à aspiration. [0017] Les modes d'exécution particuliers de l'invention comportent au moins une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- le gaz a une masse moléculaire strictement supérieure à 40, et de préférence supérieure à 100,

- le gaz est de préférence non-oxydant,

- le gaz utilisé ne se décompose pas pour des températures inférieures à 500[deg.]C,

- le gaz peut-être par exemple un gaz rare comme l'argon, le krypton, le xénon, ou figurer parmi les molécules contenant du carbone, du fluor ou du silicium comme le C02, le SF6, le C3Fg ainsi que certains fréons, halons ou vapeurs de silicones. Eventuellement, on utilisera un mélange de gaz pour optimaliser les propriétés d' essorage,

- toutes choses étant égales, un gaz de viscosité plus élevée est préféré, - le gaz est avantageusement préchauffé à une température comprise entre 50 [deg.]C et la température du bain de métal liquide,

- le dispositif de récupération comprend une bouche et un caisson d'aspiration avec des extracteurs de gaz entourant le dispositif d'essorage,

- l'installation comprend des moyens de contrôle de la pression à l'intérieur du caisson d'aspiration pour que la différence de pression entre l'intérieur dudit caisson et l'atmosphère soit comprise entre 0,1 à 10 kPa. Avantageusement, le caisson d'aspiration est en dépression par rapport à l'atmosphère,

- des canaux verticaux de faible section sont prévus en haut et en bas dudit caisson pour laisser passer le produit métallique et limiter les flux de gaz échangés entre ledit caisson et l'atmosphère,

- lesdits canaux comportent un système de freinage des gaz comme un labyrinthe ou des alternances successives de sections larges et étroites,

- lesdits canaux comportent à leur extrémité des injections de gaz pour limiter encore les flux entre ledit caisson et l'atmosphère,

- lesdits canaux peuvent avantageusement être terminés chacun par une feuille souple qui s'applique sur la bande et limite ainsi fortement les entrées d'air dans le caisson d'essorage,

- le canal inférieur peut avantageusement descendre jusque dans le bain de métal liquide pour assurer de ce côté une étanchéité absolue,

- chacun des canaux est terminé par une feuille souple qui s'applique sur la bande et limite ainsi fortement les entrées d'air dans le caisson d'essorage

- l'installation comprend des moyens pour séparer l'air aspiré sur les bords de la bouche du gaz lourd et pour recomprimer et/ou réchauffer le gaz lourd avant son utilisation dans un cycle suivant d'essorage,

- lesdits moyens de séparation sont sélectionnés dans le groupe constitué de : - filtration au travers de nano-filtres perméables à l'azote et à l'oxygène mais perméables à des molécules de masse moléculaire supérieure ou égale à 40, condensation différentielle des gaz par passage sur des parois refroidies à des températures qui provoquent la condensation d'un seul des gaz du mélange, centrifugation . Brève description des figures

[0018] La figure 1, déjà mentionnée, représente schématiquement une section dans une installation typique de galvanisation au trempé selon l'état de la technique (à gauche) et une vue agrandie de la zone d'essorage (à droite) .

[0019] La figure 2 montre la variation de l'épaisseur de revêtement en fonction de la pression d'essorage, dans le cas de l'utilisation de l'air et de l'argon comme gaz d'essorage respectifs.

[0020] La figure 3 montre la variation de l'épaisseur de revêtement en fonction du débit d'essorage, dans le cas de l'utilisation de l'air et de l'argon comme gaz d'essorage respectifs. [0021] La figure 4 montre schématiquement une section dans une installation typique de galvanisation au trempé, avec système d'aspiration des gaz, selon l'invention, comprenant un caisson d'aspiration en dépression (à gauche) et une vue agrandie de la zone d'essorage et d'aspiration (à droite).

[0022] La figure 5 montre schématiquement une section dans une installation typique de galvanisation au trempé, avec système d'aspiration et de recyclage des gaz lourds, selon l'invention.

Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention [0023] Un mode de réalisation préféré de la présente invention se rapporte à un procédé d'essorage de bandes métalliques galvanisées au trempé par jet de gaz lourd. On entend par gaz lourd un gaz plus lourd que l'air et l'azote. L'invention vise ainsi à disposer d'une quantité de mouvement plus importante à même vitesse du gaz d' essorage. [0024] Il est connu que l'essorage résulte de deux effets:

- d'une part le gradient de pression entre l'endroit où le jet vient frapper la bande et les points situés en dessous de cet impact ;

- d'autre part le cisaillement par le flux descendant de gaz (en effet, le jet de gaz au contact de la bande se sépare en deux portions, l'une qui est déviée vers le bas et l'autre vers le haut). [0025] Ces deux effets sont liés, mais non linéairement, à la masse spécifique du gaz (voir par exemple "An Analytical Description of the Jet Finishing Process for Hot-Dip Metallic Coatings on Strip", J.A. Thornton and H. F. Graff, Metallurgical Transactions B; Volume 7b, , December 1976, pp. 607-618).

[0026] Des tests effectués par les inventeurs en comparant l'effet de l'air et celui de l'argon (masse moléculaire de 40) montrent un gain de l'ordre de 30% pour l'argon. Ce résultat suggère qu'une amélioration notable de l'efficacité est possible. Ces tests sont rapportés sur les figures 2 et 3. Ces deux figures montrent comment l'épaisseur du revêtement (axe vertical Zinc Coating ) varie en fonction de la pression d'essorage (axe horizontal Pressure sur la figure 2) ou du débit d'essorage (axe horizontal Flowrate (relative m<3>/h) sur la figure 3), respectivement. Sur les deux figures, on a comparé l'effet de la nature du gaz d'essorage.

On constate qu'à débit égal le gain engendré par l'utilisation de l'argon en lieu et place de l'air est de l'ordre de 30%. [0027] Selon l'invention, on utilisera avantageusement des gaz encore nettement plus lourds que l'argon, avec des masses moléculaires supérieures à 40 et si possible supérieures à 100. Le choix du gaz se concentre sur des gaz non-oxydants de façon à obtenir le même effet bénéfique qu'avec l'essorage à l'azote. Une bonne résistance à la température est également requise puisque le gaz est durant un court instant (typiquement 100 [mu]sec) en contact avec le zinc liquide à quelques 450 [deg.]C. Des candidats possibles à la réalisation de l'invention sont par exemple des gaz rares comme l'argon, le krypton ou le xénon, ou encore des molécules comme C02, SF6 ou C3F8.

Une solution potentielle consiste aussi en l'utilisation de vapeur surchauffée de manière à obtenir la pression nécessaire à l'essorage. Dans ce sens, un candidat potentiel est le fréon 133 qui a une température d'ébullition de 48[deg.]C. Toutes choses étant égales, on préférera un gaz de viscosité plus importante car il refroidira moins la cible. Si nécessaire, le gaz sera préchauffé à des températures allant de 50 [deg.]C à la température du bain de métal de revêtement.

Récupération des gaz [0028] En pratique, les gaz lourds ne sont pas disponibles en grandes quantités ou ne peuvent pas être répandus à forte concentration dans l'atmosphère des halles où est effectué la galvanisation ou le revêtement au trempé dans un bain de métal liquide selon l'invention. Le dispositif d'essorage comprendra donc des moyens de réaspiration des gaz d'essorage, leur séparation d'avec l'air ambiant et leur réutilisation pour l'essorage. [0029] Le dispositif d'essorage selon l'invention sera entouré d'une bouche d'aspiration. Selon les cas, le débit d'aspiration sera régulé de manière modérée (cas où le gaz lourd peut être perdu dans l'atmosphère de la halle) ou forte (cas où le gaz lourd est soit dangereux dans l'air à forte quantité, soit très coûteux) .

[0030] Une description plus détaillée du système d'aspiration est donnée sur la figure 4. Cette figure représente une section dans une ligne de galvanisation dans la partie gauche alors que la partie droite représente de manière agrandie la zone d'essorage et d'aspiration.

[0031] Sur la partie droite de la figure 4, on voit que la bande 1 est essorée à l'aide des essoreurs 5. La zone d'essorage est enfermée dans un caisson d'aspiration 8 en dehors duquel les gaz sont aspirés par un système d'extraction (ou extracteurs) de puissance réglable, symbolisé ici par la flèche de repère 9. La puissance d'aspiration est contrôlée de manière à maintenir un écart de pression déterminé entre l'intérieur du caisson et l'atmosphère. Cet écart de pression sera de l'ordre de 0,1 kPa à quelques kPa. Il sera réglé dans le sens d'une dépression du caisson par rapport à l'atmosphère, comme représenté sur la figure 4, si l'on souhaite que le gaz lourd ne s'échappe pas. Il pourra être réglé en surpression du caisson si le gaz lourd est suffisamment i mune pour pouvoir être introduit à faible débit dans la halle.

Aux extrémités haute et basse du caisson d'aspiration sont prévus des canaux verticaux de faible section 10 dans lesquels passe la bande. Ces-- canaux sont destinés à freiner le débit d'échange entre l'atmosphère et le caisson: dans le cas de la figure 4, c'est un débit d'air atmosphérique entrant dans le caisson qui est représenté par le repère 11. Les canaux de confinement 10 pourront être pourvus de systèmes pour freiner les flux de gaz, comme par exemple des labyrinthes, des alternances successives de sections larges puis restreintes. Une autre option est d'injecter un gaz 12 dans ces canaux de confinement 10 pour limiter encore les échanges entre le caisson d'aspiration et l'atmosphère. Chacun des canaux peut également être terminé par une feuille souple qui s'applique sur la bande et limite ainsi fortement les entrées d'air dans le caisson d'essorage.

Le canal 10 situé en bas du caisson -peut descendre jusqu'au bain de métal liquide, dans ce cas l'étanchéité absolue est assurée de ce côté.

Séparation des gaz aspirés et recyclage du gaz lourd [0032] Dans tous les cas, le dispositif de récupération réaspire de l'air ambiant en même temps que le gaz lourd. Il faut donc séparer l'air qui est rejeté, du gaz lourd qui sera recomprimé pour utilisation dans le cycle suivant.

Cette séparation peut avantageusement s'effectuer de plusieurs manières, éventuellement combinées:

- par filtration au travers de nano-filtres perméables à l'azote et l'oxygène mais que de grandes molécules ne peuvent traverser,

- par condensation différentielle des gaz par passage sur des parois refroidies (par exemple à 35 [deg.]C dans le cas du fréon 133) , - par centrifugation.

[0033] Le schéma général du circuit de recyclage des gaz est présenté sur la figure 5.

[0034] La partie gau[sigma]he de cette figure représente une section dans une ligne de galvanisation tandis que la partie droite est un schéma de circulation et de traitement des gaz. Les gaz sont aspirés du caisson par les extracteurs 9 et le conduit 13. Ils comportent un mélange de gaz lourd utilisé pour l'essorage et d'air entré de manière inévitable dans le caisson par ses canaux d'extrémité 10 (système en dépression, voir ci-dessus). Ce mélange est traité dans le séparateur 14 qui fonctionne par filtration, distillation cryogénique, centrifugation ou tout autre technique de séparation de gaz. Après séparation, l'air est rejeté dans la halle ou à l'extérieur par la canalisation 15, tandis que le gaz lourd sort par la canalisation 16 pour être réutilisé.

Le gaz lourd est alors comprimé par le compresseur 17 et/ou réchauffé par l'échangeur 18 avant d'être réintroduit dans les essoreurs par la canalisation 19.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé d'essorage d'un produit métallique (1) en défilement continu, à la suite d'une opération de revêtement au trempé à chaud dans un bain de métal liquide (3), caractérisé en ce que l'essorage est effectué au moyen de jets d'un gaz lourd de masse moléculaire supérieure ou égale à 40.

2. Procédé d'essorage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz a une masse moléculaire strictement supérieure à 40, et de préférence supérieure à 100.

3. Procédé d'essorage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz est de préférence non-oxydant.

4. Procédé d'essorage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz ne se décompose pas à une température inférieure à 500 [deg.]C.

5. Procédé d'essorage selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le gaz est sélectionné dans le groupe constitué par les gaz rares comme l'argon, le krypton ou le xénon, des molécules contenant du carbone, du fluor ou du silicium comme le C02, le SF6, le C3F8, certains fréons, halons ou vapeurs de silicanes, et un mélange quelconque de ces gaz.

6. Procédé d'essorage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la viscosité du gaz est élevée.

7. Procédé d'essorage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz est préchauffé à une température comprise entre 50 [deg.]C et la température du bain de métal liquide.

8. Procédé d'essorage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit métallique (1) est un produit plat tel qu'une bande d'acier ou un produit long tel qu'un fil d'acier.

9. Installation pour le revêtement d'un produit métallique (1) au trempé à chaud dans un bain de métal liquide (3) comprenant un dispositif d'essorage par jets de gaz en sortie de bain, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite installation comprend un dispositif de récupération de gaz à aspiration (8,9,10).

10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que le dispositif de récupération comprend un caisson d'aspiration (8) muni d'extracteurs de gaz (9) entourant le dispositif d'essorage (5).

11. Installation selon la revendication 10, caractérisé en ce qu' elle comprend des moyens de contrôle de la pression à l'intérieur du caisson d'aspiration (8) pour que la différence de pression entre l'intérieur dudit caisson (8) et l'atmosphère soit comprise entre 0,1 et 10 kPa.

12. Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que le caisson d'aspiration (8) est en dépression par rapport à l'atmosphère.

13. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que des canaux verticaux de faible section (10) sont prévus en'- haut et en bas dudit caisson (8) pour laisser passer le produit métallique (1) et limiter les flux de gaz échangés entre ledit caisson et l' atmosphère.

14. Installation selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits canaux (10) comportent un système de freinage des gaz comme un labyrinthe ou des alternances successives de sections larges et étroites.

15. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que lesdits canaux (10) comportent à leur extrémité des injections de gaz (12) pour limiter encore les flux entre ledit caisson (8) et l'atmosphère.

16. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que le canal inférieur (10) descend jusque dans le bain de métal liquide (3) pour assurer de ce côté une étanchéité absolue.

17. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que chacun des canaux (10) est terminé par une feuille souple qui s'applique sur la bande et limite ainsi fortement les entrées d'air dans le caisson d' essorage.

18.

Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce qu' elle comprend des moyens pour séparer (14, 15) l'air aspiré du gaz lourd et pour recomprimer et/ou réchauffer (17, 18) le gaz lourd avant son utilisation dans un cycle suivant d'essorage.

19. Installation selon la revendication 18, caractérisé en ce que lesdits moyens de séparation (14, 15) sont sélectionnés dans le groupe constitué de :

- filtration au travers de nano-filtres perméables à l'azote et à l'oxygène mais imperméables à des molécules de masse moléculaire supérieure ou égale à 40 ;

- condensation différentielle des gaz par passage sur des parois refroidies ;

- centrifugation.