* * * * * * * i * ISSN 1018-5593 Commission européenne recherche technique acier Transformation (laminoirs) Refroidissement ultrarapide de bandes minces laminées à chaud Rapport EUR 16835 FR STEEL RESEARCH
Commission européenne recherche technique acier Transformation (laminoirs) Refroidissement ultrarapide de bandes minces laminées à chaud S. Wilmotte, P. Simon Centre de recherches métallurgiques, ASBL Rue Ernest Solvay 11 B-4000 Liège Contrat n 7210-EA/214 1.8.1990-31.7.1994 Rapport final Direction générale Science, recherche et développement 1997 EUR 16835 FR
AVERTISSEMENT Ni la Commission européenne ni aucune personne agissant au nom de la Commission n'est responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations données ci-après. De nombreuses autres informations sur l'union européenne sont disponibles sur Internet via le serveur Europa (http://europa.eu.int.). Une fiche bibliographique figure à la fin de l'ouvrage. Luxembourg: Office des publications officielles des Communautés européennes, 1997 ISBN 92-828-0757-6 Communautés européennes, 1997 Reproduction autorisée, moyennant mention de la source Printed in Luxembourg
RESUME L'augmentation de la vitesse de refroidissement sur la table de sortie des trains à bandes permettrait de produire des aciers de résistance à partir d'une composition chimique moins chère. L'expérience acquise avec le procédé Mulpic dans les trains à tôles a montré qu'il était possible d'atteindre des puissances spécifiques de refroidissement très élevées (jusqu'à 5.0 MW/m 2 ). Etant donné que, dans le cas des tôles, l'épaisseur minimum était de 3 mm, l'application d'un refroidissement ultra-rapide à des bandes minces nécessite l'étude des aspects suivants : technologie : traversée sans incident de l'équipement de refroidissement, tout en réalisant un refroidissement homogène selon la longueur et la largeur. De plus, la planéité ne doit pas être détériorée ; métallurgie : analyse des caractéristiques des produits soumis à ce refroidissement intense. Dans une première étape, afin d'étudier les aspects technologiques, un équipement pilote a été installé au train à bandes des Usines G. BOËL (fig. 1) : 3 paires de rampes avec une longueur de refroidissement de 1.4 m et un débit maximum de 1000 m 3 /h. Les essais ont montré que : pour les bandes de 1.5 mm, la vitesse de refroidissement était d'environ 900 C/s, ce qui correspond à une puissance spécifique de refroidissement d'environ 4.5 MW/m 2 ; le refroidissement était homogène en long et en travers (fig. 4 et 5) ; la planéité des produits n'était pas détériorée par le refroidissement intense. Etant donné la faible longueur de l'équipement pilote, la chute de température n'était que de 150 à 200 C, ce qui est insuffisant pour obtenir un effet métallurgique marqué. Un prototype industriel comportant 7 paires de rampes a donc été construit et installé (fig. 8) : avec ce prototype, le débit maximum est de 2300 m 3 /h et des températures de sortie de C peuvent être atteintes pour des épaisseurs de bande <_ 2.5 mm, aux vitesses de laminages habituelles. Les essais avec le prototype ont permis de confirmer la puissance spécifique de refroidissement : 4.5 à 5.0 MW/m 2 pour un débit spécifique de 65 à 70 l/s.m 2 (fig. 10). La vitesse de refroidissement est d'environ 1000 C/s pour des bandes de 1.5 mm ; elle vaut encore 380 C/s pour des bandes de 4.0 mm (fig. 11). Les caractéristiques mécaniques ont été mesurées pour différentes épaisseurs de bandes, dans le cas d'aciers C-Mn (tableau III) et d'aciers au V (tableau IV) : le gain obtenu grâce au refroidissement ultra-rapide est d'environ 100 MPa au niveau de la limite d'élasticité et de la charge de rupture.
En conclusion, les différents essais ont montré qu'il était possible d'appliquer un refroidissement ultra-rapide à des bandes minces sur la table de sortie des trains à bandes : l'homogénéité du refroidissement est bonne et la planéité n'est pas détériorée. Du point de vue technologique, afin de supprimer le risque de raboulotage, la tête des coils les plus minces n'est pas refroidie durant son passage dans l'équipement. Afin de réduire les pertes de mise au mille correspondantes, un pinch-roll additionnel doit être placé à la sortie du refroidissement.
SUMMARY An increased cooling rate on the runout table of hot strip mills would bring the possibility to produce high strength steels with cheaper chemical compositions. The experience gained in the plate mills with the Mulpic process has shown that it was possible to reach very high specific cooling powers (up to 5.0 MW/m 2 ). As, in the case of plates, the minimum thickness was of 3.0 mm, the implementation of such on ultra-fast cooling to thin strips makes necessary to study the following aspects : technology : trouble-free threading and passing of the product through the equipment, while obtaining an homogeneous cooling in longitudinal and transverse directions. Moreover, the flatness must no be deteriorated ; metallurgy : characteristics of the products. In a first stage, in order to study the technological aspects a pilot equipment has been installed in the hot strip mill of Usines G. BOËL (fig. 1) : 3 pairs of banks with a cooling length of 1.4 m and a maximum water flow rate of 1000 m 3 /h. The trials have shown that : for 1.5 mm strips, the cooling rate was of about 900 C/s which corresponds to a specific cooling power of about 4.5 MW/m 2 ; the cooling was homogeneous in longitudinal and transverse directions (fig. 4 and 5) ; the flatness of the products was not deteriorated by the intensive cooling. Due to the short length of the pilot equipment, the temperature drop was of only 150 to 200 C, which is not sufficient to obtain a real metallurgical effect. An industrial prototype with 7 pairs of banks has been built and installed (fig. 8) : with that prototype, the maximum water flow rate is of 2300 m 3 /h and exit temperatures of C can be reach on strip thicknesses <_ 2.5 mm, at the normal rolling speeds. The trials with the prototype have confirmed the specific cooling power : 4.5 to 5.0 MW/m 2 for a specific water flow rate of 65 to 70 l/s.m 2 (fig. 10). The cooling rate is of about 1000 C/s for 1.5 mm strips : it is still of 380 C/s for 4.0 mm strips (fig. 11 ). The mechanical properties have been determined for different strip thicknesses, in the case of C-Mn steels (table III) and V steels (table IV) : the gain obtained tanks to the ultra-fast cooling is of about 100 MPa in yield and tensile strengths.
As a conclusion, the different trials have shown that it was possible to apply an ultrafast cooling to thin strips at the exit of the finishing stands : the cooling homogeneity is good and the flatness is not affected. From the technological point of view, the head end of the thinner coils is not cooled, in order to suppress the risk of cobbles. To reduce the corresponding yield losses, an additional pinch-roll has to be installed at the exit of the cooling zone.
LONG ABSTRACT ULTRA-FAST COOLING IN THE HOT STRIP MILL INTRODUCTION The classical cooling equipment used in the runout tables of the hot strip mills presents the following characteristics : important length of the cooling zones (up to 100 m), small range of adjustment for the specific water flow rate (or water flow per surface unit) and rather low specific cooling power (generally, between 0.3 and 0.8 MW/m 2 ). Increasing the cooling rate on the runout tables would present the following advantages : possibility to produce high strength steels with lower contents in alloying elements (and cheaper chemical compositions) ; possibility to develop new products by combining appropriate chemical compositions and thermal heat treatments. The experience gained in the plate mills with the Mulpic Process has shown that the specific cooling power can easily be adjusted from 0.5 up to 5.0 MW/m 2, simply by modifying the specific water flow rate. Values as high as 5.0 MW/m 2 make possible to apply quenching and self-tempering treatments. On the other hand, the cooling homogeneity and the products flatness are good. Keeping in mind that, in the case of the plates, the minimum thickness treated was of 3 mm, the implementation of such an ultra-fast cooling to thin strips at the exit of the hot strip mills makes necessary to study the following aspects : technology : a trouble-free threading and passing of the product through the cooling equipment must be ensured. In addition, the cooling must be homogeneous in longitudinal and transverse directions. Finally, the flatness of the strips cannot be deteriorated by the intensive cooling ; metallurgy : study of mechanical properties of the products.
PILOT EQUIPMENT In a first stage, in order to study the technological aspects, a pilot equipment has been installed at the exit of the finishing stands of the hot strip mill of Usines G. BOEL. The lay-out is shown in figure 1 and the main characteristics are the following : 3 pairs of cooling banks, length of 1.4 m and width of 1.6 m, water flow rate : 1000 m 3 /h maximum at a pressure of 3 bar. Figure 2 gives more details about the cooling banks arrangement : the bottom banks are installed between the rollers of the runout table without modification to the rollers pitch ; two distances between the top of the rollers and the top banks have been tested : 300 and mm ; a guide is installed at the entry side of the cooling equipment with the aim to bring the head end of the strips down in case of ski ; water sprays are mounted at the entry and exit sides in order to stop the water coming from the top banks. A proper operation of these sprays is necessary to prevent the water from flowing upstream/downstream of the equipment and to ensure a good cooling homogeneity. Figure 3 describes the control and measuring equipment : there are separate water flow controls for the top and bottom banks. A scanning pyrometer makes possible to measure the transverse distribution of the temperature (thermal maps). THERMAL AND TECHNOLOGICAL ASPECTS Thermal results Examples of the results obtained with the pilot equipment are given in table I. The rather low level of the finishing temperatures is due to the low finishing speeds used during the trials. It can be concluded that : for 1.5 mm strips, the cooling rate is of about 900 C/s and the specific cooling power is of about 4.5 MW/m 2 ; the increase in top banks height from 300 to mm has not influenced significantly the cooling power.
Figures 4 and 5 show examples of temperature distributions across the length and the width : the left part of figures 4 corresponds to the uncooled part of the coil : the cooling water has been switched on after the head end has reached the coiler. The temperature of the hot part is lower than the T jn values in table I because the scanning pyrometer was installed at about 65 m from the finishing stands, while T jn values were measured just after the exit of the finishing stands ; the two thick plain lines in figures 5 represent the average transverse profiles of the areas indicated in figures 4. The thin lines in figure 5a correspond to the individual transverse profiles (one profile every 10m). These figures show that the homogeneity of the cooling is good : the temperature difference edges-center is of about 30 C after cooling, against 20 C in the uncooled part ; the variations along the length are small : about 10 C. Technological results Three points have been particularly studied. Flatness A few coils have been uncoiled and the flatness of the cooled and uncooled parts has been compared. The comparison has shown that the intensive cooling had not affected the product flatness. Height of the top banks For the first trials, the distance between the top of the rollers and the top banks was of 300 mm. No problem has been encountered for strip thickness down to 1.5 mm but, for the thinner strips (β 1.2 mm), the head end was sometimes hitting the entry guide : as that could result in cobbles, the height of the top banks has been increased to mm. That has made necessary to redesign the water sprays : more particularly, as it was more difficult to stop the water coming from the top banks, the water flow in the sprays has been increased. Further trials have shown that : there was no more problem with the head end of the thinner strips ; there was no significant reduction in cooling power (see table I).
Uncooled strip length at the head end In the case of the thin strips, it is not possible to turn the cooling banks on before the strip head enters the cooling equipment : the braking due to the water would create risks of cobbles. During the first trials, the cooling water was switched on after the head end had been caught in the coiler. Additional trials have been performed on 1.5 mm strips in order to determine the minimum uncooled length at the head end of the coil. The delay before turning the water on after passing of the head end through the cooling equipment has been reduced progressively from coil to coil : the uncooled length has been varied from 130 m down to 10 m. As a conclusion, for 1.5 mm strip, an uncooled length of 40 to 60 meters at the head end of the coils is necessary to ensure safe industrial operating conditions. As it represents important yield losses, the implementation of an additional pinch-roll at the exit of the cooling equipment will be necessary in industrial production. INDUSTRIAL PROTOTYPE Main characteristics Due to the short length of the pilot equipment, the temperature drop was of only 150 to 200 C for 1.5 mm strips, which is not sufficient to obtain a real metallurgical effect. The results obtained with the 3 pairs of banks of the pilot equipment have been used to determine the main characteristics of the industrial prototype. Figure 6 gives the calculated self-tempering temperatures as a function of the cooling time, for different strip thicknesses. The temperatures that can be reached with the usual rolling speeds and 7 or 9 pairs of banks have been indicated. As the most interesting potential market concerns strips with a thickness <_ 2.5 mm, it has been decided to implement 7 pairs of banks, in order to reach temperatures of about C at the normal speeds. For thicknesses of 3 mm and above, it will be necessary to reduce the rolling speeds. The maximum total water flow rate is of 2300 m 3 /h at a pressure of 3.5 bar. The lay-out of the runout table is given at figure 7, together with the location of the temperature measurements. 10
Figure 8 describes a longitudinal section of the prototype : the distance between the rollers table and the top banks is of mm ; it is possible to incline the top banks of 6 : the aim is to decrease the braking effect of the water on the strips and to possibly reduce the uncoiled length at the head end of the thinner strips ; intermediate water sprays are installed between the top banks : such a way, it will be possible to use 4, 5, 6 or 7 pairs of banks, without deteriorating the cooling homogeneity. The water system and arrangement of the control equipment are detailed at figure 9. Results Thermal results obtained with the industrial prototype are gathered in table II. The specific cooling power of the pilot equipment has been confirmed : 4.5 to 5.0 MW/m 2 for a specific water flow rate of 65 to 70 l/s.m 2. With the increased number of banks, it is now possible to reach exit temperatures of about C on strips thicknesses <_ 2.5 mm, at the normal rolling speeds. Figure 10 gives the specific cooling power as a function of the specific water flow rate. That figure also shows that it is easy to control the cooling by acting on the cooling water flow rate. Figure 11 shows that, with the maximum specific water flow rates (60 to 70 l/s.m 2 ), it is possible to reach cooling rates of about 1000 C/s for 1.5 mm strip ; the cooling rate is still of 380 C/s for 4.0 mm strips. It is important to notice that the product of the strip thickness by the cooling rate is almost constant and comprised between 1500 and 1 (for classical cooling on runout tables, that value does not exceed 300). Measurements with the scanning pyrometer have shown that the temperature differences in the transverse direction (edges-center) do not exceed 15 C ; at figure 12, the bold line represents the average temperature across the width while the thin lines correspond to longitudinal profiles at different widths. Trials with different strip thicknesses have been performed to determine the necessary uncooled length at the head end : it is of 25 m for 2.5 mm strips, while for 3.5 mm-strips, the head end can be cooled. 11
Results of mechanical testing are gathered at table III, for C-Mn steels : the gain is of about 100 MPa in yield and tensile strengths. Micrographies have shown that the grain size is of 4 pm (i.e. 2 to 3 times finer than without ultra-fast cooling). Table IV shows results obtained on V steels : the gain is also of about 100 MPa. From these results, couples chemical composition-cooling conditions can be deduced. Oxide weight measurements have shown no significant difference between ultra-fast cooling and normal cooling. CONCLUSIONS The different trials performed with the pilot equipment (3 pairs of banks) and the industrial prototype (7 pairs of banks) have shown that it was possible to apply an ultra-fast cooling treatment on the runout table of a hot strip mill : a specific cooling power of 4.5 to 5.0 MW/m 2 has been achieved. The homogeneity of the cooling was good and the flatness was not affected. A gain of about 100 MPa in yield and tensile strengths has been achieved for C-Mn steels and V steels. From the technological point of view, thin strips have been threaded and passed without problem through the equipment but it has been necessary to avoid cooling the head end of the thinner coils. To reduce the yield losses, it will be necessary to implement an additional pinchroll at the immediate exit of the cooling equipment. 12
TABLE DES MATIERES 1. INTRODUCTION 17 OBJECTIF DE LA RECHERCHE 18 EQUIPEMENT PILOTE 3.1. Caractéristiques de base 20 3.2. Améliorations technologiques ^1 3.2.1. Endommagement des rampes inférieures 21 3.2.2. Hauteur des rampes supérieures 22 3.3. Résultats 23 3.3.1. Puissance thermique 23 3.3.2. Homogénéité du refroidissement 24 3.3.3. Planéité 25 3.3.4. Longueur non-refroidie en tête de bande 25 3.3.5. Propriétés mécaniques 26 20 DIMENSIONNEMENT DU PROTOTYPE INDUSTRIEL 27 PROTOTYPE INDUSTRIEL 28 5.1. Emplacement et principales caractéristiques 28 5.2. Contrôle 28 5.3. Résultats thermiques 29 5.3.1. Puissance thermique 29 5.3.2. Homogénéité du refroidissement 30 5.4. Planéité 30 5.5. Longueur non-refroidie en tête de bande 30 5.6. Propriétés mécaniques 31 5.6.1. Aciers C-Mn 31 5.6.2. Aciers au V 31 5.6.3. Couples composition chimique - conditions de refroidissement 32 5.7. Poids d'oxydes 32 CONCLUSIONS 32 TABLEAUX 35 FIGURES 39 13
TABLE OF CONTENTS 1. INTRODUCTION 17 2. OBJECTIVE OF THE RESEARCH 18 3. PILOT EQUIPMENT 20 3.1. Basic characteristics 20 3.2. Technological improvements 21 3.2.1. Damage to bottom banks 21 3.2.2. Height of top banks 22 3.3. Results 23 3.3.1. Thermal power 23 3.3.2. Homogeneity of cooling 24 3.3.3. Flatness 25 3.3.4. Uncooled length at head end 25 3.3.5. Mechanical properties 26 4. DESIGN OF THE INDUSTRIAL PROTOTYPE 27 5. INDUSTRIAL PROTOTYPE 28 5.1. Location and main characteristics 28 5.2. Control 28 5.3. Thermal results 29 5.3.1. Thermal power 29 5.3.2. Homogeneity of cooling 30 5.4. Flatness 30 5.5. Uncooled length at head end 30 5.6. Mechanical properties 31 5.6.1. C-Mn steels 3-] 5.6.2. V steels 31 5.6.3. Couples chemical composition - cooling conditions 32 5.7. Oxides weight 32 CONCLUSIONS 32 TABLES 35 FIGURES 39 14
LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX Figure 1 Emplacement de l'installation pilote Figure 2 Disposition des rampes de refroidissement (pilote) Figure 3 Contrôle (pilote) Figure 4a Profil de température en long - Coil 22201 Figure 4b Profil de température en long - Coil 22202 Figure 4c Profil de température en long - Coil 95001 Figure 4d Profil de température en long - Coil 95002 Figure 5a Profil de température en travers - Coil 22201 Figure 5b Profil de température en travers - Coil 22202 Figure 5c Profil de température en travers - Coil 95001 Figure 5d Profil de température en travers - Coil 95002 Figure 6 Température d'auto-revenu en fonction de la durée de refroidissement Figure 7 Emplacement du prototype industriel Figure 8 Section longitudinale du prototype industriel Figure 9 Circuit d'eau et contrôle (prototype) Figure 10 Puissance spécifique de refroidissement Figure 11 Vitesse de refroidissement Figure 12 Profils de température Figure 13 Propriétés mécaniques - Aciers C-Mn Figure 14 Propriétés mécaniques - Aciers au V Figure 15 Poids d'oxyde Tableau I Tableau il Tableau III Tableau IV Résultats thermiques (installation pilote) Résultats thermiques (prototype industriel) Propriétés mécaniques - Aciers C-Mn Propriétés mécaniques - Aciers au V 15
LIST OF FIGURES AND TABLES Figure 1 Lay-out of pilot equipment Figure 2 Cooling banks arrangement (pilot) Figure 3 Control (pilot) Figure 4a Longitudinal temperature profile - Coil 22201 Figure 4b Longitudinal temperature profile - Coil 22202 Figure 4c Longitudinal temperature profile - Coil 95001 Figure 4d Longitudinal temperature profile - Coil 95002 Figure 5a Transverse temperature profile - Coil 22201 Figure 5b Transverse temperature profile - Coil 22202 Figure 5c Transverse temperature profile - Coil 95001 Figure 5d Transverse temperature profile - Coil 95002 Figure 6 Self-tempering temperature as a function of the cooling time Figure 7 Lay-out of the industrial prototype Figure 8 Longitudinal section of the industrial prototype Figure 9 Water system and control (prototype) Figure 10 Specific cooling power Figure 11 Cooling rate - Figure 12 Temperature profiles Figure 13 Mechanical properties - C-Mn steels Figure 14 Mechanical properties - V steels Figure 15 Oxides weight Table I Table II Table III Table IV Thermal results (pilot equipment) Thermal results (industrial prototype) Mechanical properties - C-Mn steels Mechanical properties - V steels 16
REFROIDISSEMENT ULTRA-RAPIDE DE BANDES MINCES LAMINEES A CHAUD 1. INTRODUCTION Les bandes laminées dans les trains à chaud subissent un refroidissement accéléré sur la table de sortie. Les dispositifs de refroidissement mis en oeuvre sont caractérisés par une longueur importante de la zone arrosée (pouvant atteindre 100 m), une faible étendue de la plage de réglage du débit spécifique d'eau de refroidissement et une valeur relativement faible de la puissance spécifique de refroidissement (de 0.3 à 0.8 MW/m 2 ). Une augmentation de la vitesse de refroidissement sur les tables de sortie présenterait les avantages suivants : possibilité de produire des aciers de résistance avec des teneurs réduites en éléments d'alliage (et donc des compositions chimiques moins chères) ; possibilité de développer de nouvelles qualités d'acier en choisissant judicieusement les couples compositions chimiques-cycles thermiques. Dans le procédé Mulpic, développé pour le refroidissement accéléré des tôles aux FORGES DE CLABECQ, la longueur arrosée est limitée à 12 m, alors que le débit de matière par unité de largeur est le même que dans un train à bandes. Le flux de chaleur extrait peut être réglé de 0.5 à 5.0 MW/m 2 par modification du débit spécifique d'eau de refroidissement. Il est, de ce fait, possible d'atteindre des vitesses de refroidissement jusque 10 fois supérieures à celles couramment réalisées sur trains à bandes. L'obtention d'une valeur aussi élevée que 5.0 MW/m 2 permet l'application du traitement de trempe et auto-revenu. L'expérience acquise aux FORGES DE CLABECQ a montré que la traversée du dispositif de refroidissement par le produit se déroulait sans problème pour des épaisseurs jusqu'à 3 mm (épaisseur la plus faible des tôles laminées aux FORGES DE CLABECQ). D'autre part, l'homogénéité du refroidissement et la planéité des tôles traitées se sont révélées bonnes. Etant donné les résultats positifs obtenus pour les tôles, il était intéressant d'étudier l'application du même type de traitement aux bandes à la sortie du train finisseur à chaud. 17
2. OBJECTIF DE LA RECHERCHE L'objectif de la recherche était donc d'introduire la technologie de refroidissement Mulpic dans la table de sortie d'un train à bandes. Etant donné que l'épaisseur minimum traitée au train à tôles n'était que de 3.0 mm, deux aspects devaient principalement être étudiés : tout d'abord, technologie : étude du comportement d'une bande mince soumise à l'action d'un refroidissement intensif du type Mulpic et optimisation des réglages de manière à assurer la traversée sans incident de l'équipement de refroidissement. De plus, l'homogénéité du refroidissement doit être bonne, en long comme en travers et la planéité des bandes ne doit pas être dégradée ; ensuite, métallurgie : caractérisation des produits soumis au refroidissement intense. Deux exemples de qualités susceptibles d'être obtenues à l'aide d'un refroidissement intense, sans utiliser d'éléments de microalliage Nb/V, sont repris ci-dessous : aciers de résistance : charge de rupture de 510 MPa pour des épaisseurs de 2 à 8 mm, charge de rupture de 440 MPa pour des épaisseurs supérieures à 5 mm ; pour les épaisseurs inférieures à 5 mm, cette qualité est obtenue sans refroidissement ultrarapide, grâce aux éléments résiduels (acier provenant de fours électriques) ; aciers à haute limite d'élasticité : limite d'élasticité de 340 à 380 MPa pour des épaisseurs inférieures à 2 mm. Classiquement, cette qualité est obtenue par ajout de 0.025 % Nb ; en plus du surcoût, cette pratique entraîne une augmentation des charges dans le laminoir, ce qui conduit à une augmentation de l'usure et du taux d'incidents (raboulotages, arrachements). Des essais ont également été réalisés en remplaçant le Nb par du V pour réduire les charges dans le train. Cela amène les inconvénients suivants : plus grande sensibilité aux conditions de laminage (dispersion des propriétés), nécessité de renitrurer l'acier, réduction de la soudabilité. Dans une première phase, une installation pilote de faible longueur ne comprenant que 3 paires de rampes a été installée à la sortie de la 6ème cage du train à bandes des Usines G. BOËL. Le but était d'étudier les aspects technologiques : traversée sans incidents de l'installation de refroidissement, homogénéité du refroidissement, influence sur la planéité,... 18
Les résultats thermiques obtenus avec cette installation pilote ont permis de dimensionner le prototype industriel à 7 paires de rampes qui a été construit afin de réaliser l'étude métallurgique. 19
3. EQUIPEMENT PILOTE 3.1. Caractéristiques de base Les principales caractéristiques de l'installation pilote de refroidissement étaient les suivantes : implantation : à la sortie de la jauge de largeur (fig. 1) ; technologie de refroidissement : Water Pillow Cooling (utilisée aux FORGES DE CLABECQ, ainsi qu'à DILLINGEN et SSAB-Oxeiösund) ; longueur arrosée : 1.38 m (3 paires de rampes) ; largeur arrosée : 1.6m; débit total : 1000 m 3 /h à 3 bar ; possibilité de démontage rapide en cas de nécessité. La figure 2 donne plus de détails sur l'installation de refroidissement proprement dite : les rampes inférieures étaient montées entre les rouleaux de la table de sortie, sans modification de l'écartement entre ces rouleaux ; la distance entre les rampes supérieures et le dessus du banc de rouleaux était réglable entre 300 et mm, par pas de 50 mm ; à l'entrée de l'installation, un guide était monté afin d'éviter l'accrochage de la bande en cas de tête pliée (ski) ; des chasses d'eau étaient prévues à l'entrée et à la sortie de l'installation afin d'arrêter l'eau en provenance des rampes supérieures. Un fonctionnement correct de ces chasses est indispensable pour délimiter nettement la zone arrosée et obtenir une bonne homogénéité du refroidissement. Les chasses étaient composées de gicleurs Lechler à jet plat (9 gicleurs par rangée ; 1 rangée à l'entrée et 2 rangées à la sortie) : l'angle de ces gicleurs par rapport à la verticale était réglable de 0 à 30. La figure 3 décrit la manière dont l'installation de refroidissement était contrôlée : contrôle de débit indépendant pour les rampes inférieures et les rampes supérieures. Chaque ligne comprenait : une vanne modulante manuelle, une mesure de débit, une vanne d'arrêt rapide commandée à distance, une mesure de pression. 20
Les mesures de température étaient les suivantes : pyromètre à infrarouge avant refroidissement (sortie cage 6) ; pyromètre à infrarouge avant bobineuse ; pyromètre à balayage avant bobineuse (c'est-à-dire un pyromètre permettant d'obtenir une carte thermique des bandes). 3.2. Améliorations technologiques Avant d'en venir aux résultats obtenus avec l'installation pilote, il est utile de décrire brièvement les améliorations technologiques qui ont été apportées après les premiers essais. 3.2.1. Endommagement des rampes inférieures Après les premiers essais, deux problèmes liés au fonctionnement des rampes inférieures sont apparus : a) tout d'abord, étant donné que les rampes inférieures étaient installées à 50 mm du produit, il fallait éviter qu'elles ne s'échauffent lorsque l'installation n'était pas en service (rayonnement des bandes chaudes au-dessus des rampes). Dans ce but, un faible débit d'eau alimentait les rampes lorsque l'installation n'était pas en service ; ce débit d'eau de refroidissement secondaire était tel que la hauteur des jets était inférieure à 50 mm et l'eau ne touchait donc pas les bandes. Cette eau de refroidissement secondaire n'a malheureusement pas été en service en permanence et les rampes ont été endommagées : un certain nombre de gicleurs se sont cassés à l'intérieur des rampes, vraisemblablement à la suite des cycles chauffage/refroidissement qu'ils avaient subis ; b) ensuite, il est apparu que l'eau utilisée pour alimenter les rampes était fortement chargée en calamine. Cela a entraîné un colmatage partiel des gicleurs. Le diamètre intérieur a été ramené de 3.0 mm à environ 2.5 mm par le dépôt et la courbe caractéristique débit-pression des rampes a été affectée en proportion. Les rampes ont été démontées du banc de rouleaux et les réparations suivantes ont été effectuées : a) les rampes ont été réusinées à l'emplacement des gicleurs cassés de manière à permettre le montage de nouveaux gicleurs ; 21
b) les gicleurs intacts ont été réalésés afin d'enlever le dépôt et de revenir ainsi à la courbe débit-pression initiale. Enfin, il a été décidé : a) d'alimenter les rampes en eau de refroidissement secondaire à partir d'un circuit qui est sous pression dès que le train finisseur est en service. De cette manière, on est certain que les rampes sont protégées contre réchauffement lorsqu'on lamine ; b) de ne monter les rampes dans le banc de rouleaux qu'au moment des essais, de manière à limiter l'encrassement des gicleurs. Par la suite, pour le prototype industriel, les rampes de refroidissement seront alimentées à partir d'un autre circuit fournissant de l'eau moins chargée en calamine. 3.2.2. Hauteur des rampes supérieures Les premiers essais ont été réalisés avec une distance de 300 mm entre le banc de rouleaux et les rampes supérieures : il n'y a pas eu d'incident lors du passage des bandes minces (1.5 mm). Par la suite, des problèmes sont apparus lors du passage (sans refroidissement) des bandes les plus minces (1.2 mm) : les têtes de bandes heurtaient occasionnellement le guide d'entrée, ce qui entraînait des risques de raboulotage. Des essais ont été réalisés en rehaussant le guide d'entrée ; il a été nécessaire d'aller jusqu'à mm pour obtenir un passage sans incident des têtes des bandes les plus minces. La distance entre le banc de rouleaux et les rampes supérieures a donc été portée de 300 à mm. Cela a impliqué : la détermination d'une éventuelle perte d'efficacité du refroidissement (voir 3.3.1.) ; la modification des chasses d'arrêt de l'eau arrêt plus difficile à cause de l'augmentation de la distance gicleurs-produit. Les chasses d'eau étaient composées de 3 rangées de gicleurs à jet plat espacés de 200 mm (une rangée à l'entrée et deux à la sortie). Un dispositif de laboratoire a été construit afin de tester d'autres types de gicleurs et d'autres conditions de fonctionnement. Après plusieurs essais, la configuration ci-dessous a été retenue : angle d'ouverture des jets : 30 (45 précédemment), pression d'alimentation : 5 bar (3 bar précédemment), débit total : 110 m 3 /h (64 m 3 /h précédemment). 22
Des essais ultérieurs dans l'installation pilote ont montré que cette nouvelle configuration permettait un arrêt efficace de l'eau. 3.3. Résultats 3.3.1. Puissance thermique Le tableau I reprend les résultats thermiques obtenus sur différents coils : le débit total WFR (m 3 /h) et le débit spécifique q (i/m 2.s) tiennent compte du débit des rampes de refroidissement et du débit des chasses d'arrêt de l'eau ; T in représente la température mesurée à l'entrée du refroidissement rapide ; T ar est la température d'auto-revenu, c'est-à-dire la température maximum atteinte par la peau durant le cycle d'auto-revenu qui suit le refroidissement. Cette température est calculée à l'aide d'un modèle thermique complet prenant en compte la transformation allotropique de l'acier. En général, l'auto-revenu est atteint avant le pyromètre de sortie (Tout» : T out est la température mesurée au pyromètre de sortie. Ce pyromètre, ainsi que le pyromètre à balayage, est installé à environ 55 m de la sortie du refroidissement (= 64 m de l'axe de la dernière cage finisseuse) ; la vitesse de refroidissement CR ( C/s) est égale à la chute de température T jn - T ar divisée par la durée du refroidissement qui est elle-même égale à la longueur de refroidissement (1.38 m) divisée par la vitesse de laminage ; la puissance spécifique P s (MW/m 2 ) est calculée sur base de la surface de refroidissement, du flux massique d'acier et de l'écart entre les températures entrée (T jn ) et sortie du refroidissement. Cette dernière est calculée à l'aide du modèle thermique complet, sur base des différentes températures mesurées ; le rendement thermique h (kcal/kg) est égal au nombre de kcal enlevées au produit par litre d'eau de refroidissement ; il est aussi égal à l'élévation de température de cette eau de refroidissement ( C). Il faut remarquer que : pour le coil 22202, le premier rideau d'eau du refroidissement classique a été accidentellement mis en service de manière intermittente ; par conséquent, il n'a pas été possible d'effectuer les calculs thermiques complets ; la vitesse de laminage a varié le long du coil 95001 (speed-up) : les températures ont été relevées à mi-longueur du coil ; 23
dans l'ensemble, les températures de fin de laminage sont peut élevées : c'est dû au fait que, pour les essais, on a réduit les vitesses de laminage afin d'augmenter le temps de séjour des produits dans l'installation de refroidissement et d'obtenir des chutes de température plus importantes. L'examen du tableau I montre que : la puissance spécifique maximum est d'environ 4.5 MW/m 2 ; pour les bandes de 1.5 mm, la vitesse de refroidissement atteint 900 C/s ; l'augmentation de la hauteur des rampes supérieures de 300 à mm n'a pas influencé de manière significative la puissance spécifique de refroidissement ; 3.3.2. Homogénéité du refroidissement Les figures 4a et 5a donnent un exemple des mesures effectuée au pyromètre à balayage : figure 4a : profil longitudinal de température sur le coil 22201. Chaque point représente la moyenne sur toute la largeur, à l'exclusion des extrêmes bords (25 mm). La zone chaude à gauche correspond à la partie non-refroidie (voir 3.3.4.) ; figure 5a : profils transversaux de température du coil 22201. Les courbes en trait gras représentent la moyenne des profils dans les zones indiquées par des flèches à la figure 4a. La courbe supérieure correspond à la zone non-refroidie et la courbe inférieure à la zone refroidie : dans ce cas, un certain nombre de profils individuels ont également été indiqués (courbes en traits fins). Les figures 4b et 5b montrent les profils en long et en travers dans le cas du coil 22202. Les creux de température à la figure 4b (aux temps 25 et 50 s) correspondent à l'enclenchement accidentel d'un des rideaux utilisés pour le refroidissement classique. Les figure 4c et 5c se rapportent au coil 95001 et sont analogues aux figures 4b et 5b. La remontée progressive de (a température dans la zone refroidie est due à l'augmentation de vitesse (speed-up). Enfin, les figures 4d et 5d donnent les profils thermiques du coil 95002. L'examen de ces différentes figures montre que l'homogénéité du refroidissement est bonne : en travers, différence de température rives-centre d'environ 30 C après refroidissement, pour une différence rives-centre de 15 à 20 C sur bande non-refroidie ; en long, très peu de différence de la température moyenne : environ 10 C. 24
Il faut remarquer que, si le besoin s'en faisait sentir dans le cas de chutes de température plus importantes, la technologie Mulpic utilisée permet de moduler la densité d'eau de refroidissement sur la largeur du produit (water crown) ; si nécessaire, cela permettrait donc de réduire les écarts de température rives-centre. 3.3.3. Planéité Les coils refroidis lors des premiers essais ont été déroulés et les planéités des parties nonrefroidies et refroidies ont été comparées. Cette comparaison a montré que le refroidissement intense n'avait en rien détérioré la planéité des bandes. 3.3.4. Longueur non-refroidie en tête de bande Dans le cas des bandes minces, il n'est pas possible d'enclencher les rampes de refroidissement avant le passage de la tête du produit : le freinage dû à l'eau dans l'installation entraînerait des raboulotages. C'est pour cette raison que, lors des premiers essais, le refroidissement n'était enclenché que lorsque la tête du coil était en prise dans la bobineuse (partie non-refroidie en tête de bande aux figures 4 et 5). Une campagne d'essais a été réalisée dans le but de déterminer la longueur minimum nonrefroidie en tête de bande : le retard de l'enclenchement des rampes par rapport au passage de la tête de bande dans l'installation de refroidissement a été progressivement diminué, de manière à obtenir une longueur non arrosée allant de 130 m jusqu'à 10 m seulement. Dans le cas des bandes de 1.5 mm, cette dernière longueur a conduit à un arrêt du laminoir (bien que la tête du coil ait été engagée dans la bobineuse). Ces essais ont montré que, pour les bandes de 1.5 mm, il n'y avait pas de problème sur la table de sortie pour une longueur non-refroidie en tête de 60 m. Moyennant des modifications dans la commande des vannes, cette limite pourrait vraisemblablement être ramenée à environ 40 m. La perte correspondante en mise au mille n'étant pas acceptable en marche industrielle, cela implique l'installation d'un pinch-roll additionnel à la sortie de l'installation de refroidissement. 25
3.3.5. Propriétés mécaniques Le refroidissement n'a pas augmenté le niveau des propriétés mécaniques par rapport à un acier semblable non-refroidi. Cela s'explique par la faible chute de température dans l'installation de refroidissement et par la température d'entrée qui est basse à cause des vitesses réduites (une partie importante de l'austénite est donc déjà transformée en ferrite-perlite avant le début du refroidissement rapide). 26
4. DIMENSIONNEMENT DU PROTOTYPE INDUSTRIEL Comme expliqué précédemment, la chute de température possible avec l'équipement pilote n'était que de 150 à 200 C, ce qui est insuffisant pour obtenir un effet métallurgique. Pour réaliser la partie métallurgique de la recherche, il était donc nécessaire d'augmenter la longueur de l'installation de refroidissement. Sur base des résultats thermiques obtenus lors des essais industriels avec l'équipement pilote (tableau I), des calculs ont été effectués avec le modèle thermique complet du CRM. La figure 6 regroupe les résultats obtenus ; elle donne la température d'auto-revenu T ar en fonction du temps de séjour dans l'installation de refroidissement et ce, pour différentes épaisseurs de bandes. Cette figure indique également les températures d'auto-revenu que l'on peut atteindre avec 7 et 9 paires de rampes, aux vitesses habituelles de laminage. Comme le marché potentiel le plus intéressant concerne les bandes de 2.5 mm et moins, il a été décidé de porter à 7 le nombre de paires de rampes, de manière à pouvoir atteindre sans problème des températures d'auto-revenu de l'ordre de C, pour les vitesses normales de laminage. Dans le cas des épaisseurs de 3 mm et plus, il faudra légèrement réduire les vitesses de laminage pour obtenir les températures d'auto-revenu visées. 27
5. PROTOTYPE INDUSTRIEL 5.1. Emplacement et principales caractéristiques Le prototype industriel à 7 paires de rampes est caractérisé par une longueur d'arrosage légèrement supérieure à 3 m pour une largeur arrosée de 1.6 m. Le débit maximum d'eau de refroidissement est d'environ 2300 m 3 /h à une pression de 3.5 bar. La figure 7 montre l'emplacement du prototype, le lay-out de la table de sortie et l'emplacement des différentes mesures de température du produit. La coupe en long du prototype industriel est détaillée à la figure 8 : distance de mm entre la banc de rouleaux et les rampes supérieures ; possibilité d'incliner les rampes supérieures de 6 dans le sens d'avancement d'un produit : le but recherché est de diminuer l'effet de freinage de l'eau sur le produit en lui donnant une certaine quantité de mouvement dans le sens d'avancement. Cela devrait permettre de réduire la longueur non-refroidie en tête ; des chasses intermédiaires d'arrêt de l'eau sont installées entre les premières rampes supérieures, afin de pouvoir moduler entre 4 et 7 le nombre de paires de rampe en service, sans détériorer l'homogénéité du refroidissement (délimitation nette de la zone arrosée). 5.2. Contrôle En ce qui concerne la température de la bande, elle est mesurée au centre du produit, avant (P1) et après (P2 et P3) la section de refroidissement par des pyromètres infrarouges classiques ; l'emplacement de ces différents pyromètres est indiqué à la figure 7. De plus, un pyromètre à balayage est installé à la sortie (emplacement P2) pour contrôler l'homogénéité transversale du refroidissement. Le circuit d'eau est représenté à la figure 9. L'installation est mise sous eau par l'enclenchement d'une électrovanne principale DN. Les différentes rampes et chasses d'arrêt de l'eau sont équipées d'électrovannes individuelles rapides (DN 150 pour les rampes de refroidissement). Les débits supérieur et inférieur sont réglés par l'ouverture de 2 vannes de régulation analogiques (DN 400) ; un débit minimum évitant l'endommagement des rampes et gicleurs par surchauffe lorsque les rampes ne sont pas en service est assuré au moyen d'un by-pass sur les vannes de régulation. 28
Les rampes et chasses à mettre en service sont enclenchées en séquence par un automate programmable sur la base d'une présélection effectuée au pupitre de commande de la cabine de sortie. Le délai entre le passage de la tête de la bande dans l'installation de refroidissement et l'enclenchement des vannes peut être ajusté, notamment en fonction de l'épaisseur du produit. Après le passage de la queue du coil, la coupure des rampes et chasses se fait également en séquence (cascade), de manière à éviter les coups de bélier dans les tuyauteries. Des mesures de débit et de pression sont installées sur les circuits d'alimentation des rampes supérieures et des rampes inférieures. Le débit des rampes inférieures est mesuré par différence entre le débit total et le débit des rampes supérieures, étant donné que la longueur de tuyauterie droite disponible sur l'alimentation des rampes inférieures ne permettait pas d'effectuer une mesure correcte. 5.3. Résultats thermiques 5.3.1. Puissance thermique Le tableau II reprend des résultats thermiques obtenus sur différents coils. Les notations sont les mêmes que pour le tableau I. L'examen du tableau II montre que, avec les 7 paires de rampes, il est maintenant possible d'atteindre des températures de sortie inférieures à C sur des bandes d'épaisseur <_ 2.5 mm, aux vitesses normales de laminage. Pour des épaisseurs supérieures, il sera nécessaire de diminuer la vitesse de laminage (ou d'installer 2 paires supplémentaires de rampes). La puissance spécifique de refroidissement a été vérifiée. La figure 10 confirme qu'elle atteint 4.5 à 5.0 MW/m 2 pour un débit spécifique d'eau de refroidissement de 65 à 70 l/s.m 2. Cette figure montre également que la puissance de refroidissement peut aisément être contrôlée en agissant sur le débit d'eau de refroidissement. La figure 11 donne la vitesse de refroidissement qui est atteinte avec les débits spécifiques les plus élevés. Le maximum est d'environ 1000 C/s pour des bandes de 1.5 mm d'épaisseur. La vitesse de refroidissement est encore de l'ordre de 380 C/s pour des épaisseurs de 4 mm. Il faut remarquer que le produit de la vitesse maximum de refroidissement par l'épaisseur de la bande est à peu près constant et compris entre 1500 et 1, c'est-à-dire 5 à 6 fois plus élevé que pour les tables de sortie classiques. 29
5.3.2. Homogénéité du refroidissement Les mesures réalisées au pyromètre à balayage ont montré que la dispersion transversale en température ne dépasse pas _+ 15 C. A la figure 12, la courbe en trait gras représente la moyenne sur la largeur, tandis que les courbes en trait fin correspondent à des profils longitudinaux en différents points de la largeur. L'hétérogénéité longitudinale est faible. Ces résultats confirment la bonne homogénéité du refroidissement observée avec l'installation pilote. 5.4. Planéité La chute de température réalisée avec le prototype industriel étant nettement plus importante qu'avec l'installation pilote, il était nécessaire de contrôler à nouveau la planéité des produits. Quelques coils traités avec le prototype industriel ont donc été déroulés et les planéités des parties non-refroidies et refroidies ont été comparées. Cette comparaison a montré que le refroidissement intense n'avait pas détérioré la planéité des bandes. 5.5. Longueur non-refroidie en tête de bande Une nouvelle campagne d'essais a été réalisée afin de déterminer la longueur minimum nonrefroidie en tête de bande. Sur base des différents essais, on peut conclure que : pour une épaisseur de bande >_ 3.5 mm, la tête de bande peut être refroidie ; il n'y a donc pas de perte de mise au mille ; pour une épaisseur de 2.5 mm, la longueur non-refroidie est de 25 m ; dans le cas des bandes de 1.5 mm, les essais avec l'installation pilote avaient montré que la longueur non-refroidie était d'environ 40 m. Il se confirme donc que, en marche industrielle, un pinch-roll additionnel à la sortie de l'installation de refroidissement est nécessaire pour les bandes minces. 30
5.6. Propriétés mécaniques 5.6. 7. Aciers C-Mn Les propriétés mécaniques obtenues avec des aciers carbone-manganèse C-Mn sont rassemblées au tableau 111. La figure 13 donne la charge de rupture moyenne en fonction de l'épaisseur des bandes et met en évidence le gain apporté par le refroidissement ultra-rapide. Il faut remarquer que : la température à l'entrée du refroidissement (T ln ) a été indiquée près de chaque point ; la courbe supérieure se rapporte au refroidissement ultra-rapide ; pour la courbe inférieure, il s'agit de bandes non-refroidies dans le cas des épaisseurs < 2 mm et de bandes refroidies classiquement quand l'épaisseur est J> 2 mm. Pour les épaisseurs >_ 2 mm, le gain est de l'ordre de 100 MPa pour la charge de rupture ; il en va de même pour la limite d'élasticité. En ce qui concerne les épaisseurs < 2 mm, les propriétés mécaniques des bandes refroidies rapidement sont relativement faibles. C'est dû aux températures d'entrée qui sont très basses ; la transformation allotropique est entamée quand le refroidissement ultra-rapide commence et le gain est plus faible. Des analyses micrographiques ont montré que, avec le refroidissement ultra-rapide, la taille du grain était de 4 à 5 pm, c'est-à-dire 2 à 3 fois plus fin que sans ce refroidissement. La structure est essentiellement constituée de ferrite aciculaire et d'îlots de bainite. 5.6.2. Aciers au V Les propriétés obtenues avec les aciers au vanadium sont rassemblées au tableau IV. La figure 14 est analogue à la figure 13 et montre que, pour toutes les épaisseurs, le gain est d'environ 100 MPa au niveau de la charge de rupture. Pour ces aciers, les températures d'entrée étaient plus élevées dans le cas des fines épaisseurs. Par ailleurs, le vanadium amenant aussi une meilleure trempabilité, cela explique qu'il n'y ait plus de chute des propriétés mécaniques pour les faibles épaisseurs. 31
5.6.3. Couples composition chimique - conditions de refroidissement Sur base des différents essais réalisés, il est possible de déterminer des couples composition chimique - conditions de traitement en fonction des propriétés mécaniques visées. Deux exemples sont donnés ci-dessous : a) Acier St 44 avec refroidissement ultra-rapide Carbone : 0.06 à 0.08 % Manganèse : 0.30 à 0.45 % Pas de niobium/vanadium Température de fin de laminage : = 860 C Température de bobinage : = 580 C b) Acier ST 52 avec refroidissement ultra-rapide Carbone : 0.09 à 0.11 % Manganèse : 1.00 à 1.20 % Vanadium : 0.06 à 0.08 % Température de fin de laminage : = 820 C Température de bobinage : - 580 C 5.7. Poids d'oxydes Deux séries d'échantillons de différentes épaisseurs ont été prélevées : bandes ayant subi un refroidissement normal et bandes ayant subi un refroidissement ultra-rapide. Les poids d'oxydes ont été déterminés par voie chimique. Les résultats sont rassemblés à la figure 15. L'examen de cette figure montre qu'il n'y a pas de différence significative entre les deux séries d'échantillons. 6. CONCLUSIONS Les différents essais réalisés avec l'installation pilote (3 paires de rampes) et le prototype industriel (7 paires de rampes) ont montré qu'il était possible d'appliquer un refroidissement ultrarapide sur la table de sortie d'un train à bandes. Du point de vue thermique, la puissance spécifique atteint 4.5 à 5.0 MW/m 2 et la vitesse de refroidissement est d'environ 1000 C/s pour des bandes de 1.5 mm. L'homogénéité du refroidissement est bonne et la planéité des produits n'est pas affectée par le refroidissement intense. 32