DU POURCENTAGE D'AUSTÉNITE DANS LES ACIERS

Objet de l'invention

[0001] La présente invention se rapporte à un dispositif magnétique permettant de mesurer, en ligne de production, le pourcentage d'austénite présent dans les aciers au carbone et notamment dans les nouveaux aciers AHSS (Advanced High Strength Steels) destinés principalement à l'industrie automobile.

Arrière-plan technologique et état de la technique

[0002] Lors de la production d'aciers au carbone, la connaissance de la fraction d'austénite par rapport à la matrice ferritique est importante à plusieurs niveaux du procédé de fabrication.

[0003] Un exemple concerne le laminage à chaud. Cette opération se fait généralement à des températures plus élevées que la transformation de phase ferrite - austénite pour des raisons liées à la puissance nécessaire pour le laminoir et aussi pour assurer un point de départ stable et connu aux modifications de microstructure qui définissent les propriétés finales du produit.

[0004] Après l'opération de laminage, les aciers sont généralement refroidis de manière contrôlée sur une table de sortie. Les vitesses de refroidissement imposées définissent la microstructure finale et les proportions des différentes phases (ferrite, bainite, martensite, perlite) qui constitueront le produit fini.

[0005] Pour contrôler la vitesse de refroidissement et obtenir ainsi une microstructure finale constante sur toute la bande d'acier et donc des propriétés mécaniques contrôlées, il est intéressant de mesurer la proportion d'austénite non encore transformée en fonction du temps. On peut alors agir sur cette évolution en modifiant le débit des rampes d'aspersion d'eau et ainsi changer la vitesse instantanée de refroidissement.

[0006] Pour cette application, on utilise généralement des dispositifs magnétiques qui doivent pouvoir fonctionner en présence de produits à température élevée (jusqu'à 850 °C) et réagir rapidement à des variations de microstructure.

[0007] Dans l'état actuel de la technique et à la connaissance des inventeurs, il existe peu de dispositifs qui soient utilisables dans ces conditions. De plus, ceux-ci présentent des limitations qui rendent la mesure imprécise ou encore ils sont affectés d'une sensibilité excessive aux variations des conditions de mesure (vibration, changement d'épaisseur de bande,...).

[0008] On peut citer le dispositif PhaseTrack développé par le centre de recherche d'ArcelorMittal à Maizières en France (référence : par exemple, https://www.tandfonline.eom/doi/full/10.1 179/1743281214Y.0000000183?scroll=

Cet appareil consiste principalement en un noyau

métallique en forme de "E". Une bobine couplée à ce noyau produit un champ magnétique dans la bande. En mesurant le champ magnétique induit et en utilisant un modèle mathématique approprié, on peut déduire le pourcentage d'austénite contenue dans la bande au moment de la mesure. Cependant, ce dispositif possède deux inconvénients. Tout d'abord, il est sensible à la distance entre la bande et le capteur lui-même, ce qui peut influencer défavorablement la mesure en cas de vibrations ou d'usure des rouleaux de support de la bande par exemple. Ensuite, le modèle théorique sous-jacent doit être adapté en fonction de la nuance d'acier à mesurer.

[0009] Le deuxième dispositif, plus récent, s'appelle EMSpec et a été développé par l'Université de Manchester et le centre de recherche de Tata Steel aux Pays-Bas. Il est commercialisé par Primetals (http://www.ndt.net/article/wcndt2016/papers/mo1 q4.pdf). La conception de ce système fait qu'il est largement insensible à la distance bande - capteur du fait qu'il se base sur la phase des champs magnétiques induits plutôt que sur leur amplitude. Néanmoins, la mesure nécessite l'utilisation d'un courant alternatif dont on fait varier la fréquence de 200 Hz à 50 kHz. Si on se réfère aux profondeurs de pénétration de tels courants dans des matériaux de perméabilités magnétiques différentes comme la ferrite et l'austénite, on constate que la mesure se fait sur des profondeurs largement différentes selon la phase concernée. La profondeur de pénétration peut valoir plusieurs millimètres pour la phase austénitique mais diminuer, aux plus hautes fréquences, à moins de 30 pm pour la phase ferritique. Ce fait peut entraîner des erreurs importantes si les proportions de phases sont différentes en extrême peau et dans la masse. Ceci est d'autant plus marqué que la taille de grain du matériau est importante et se rapproche de la profondeur de pénétration.

[0010] Une autre étape de fabrication où la mesure de la fraction d'austénite présente un grand intérêt est la sortie des fours de recuit ou des bains de galvanisation dans le cadre de la production de nouveaux aciers de résistance (AHSS). En effet, à ces endroits, ces nouveaux aciers contiennent une certaine proportion d'austénite qui va se transformer en une phase plus dure (martensite), soit au cours du refroidissement ultérieur, soit au cours de la mise en forme du matériau chez le client de la sidérurgie. La constance des propriétés mécaniques de ces aciers est conditionnée par la constance de la proportion d'austénite à un endroit donné du process. Afin de contrôler ce paramètre, il est important de pouvoir mesurer cette proportion d'austénite.

[0011] Au niveau de la sortie du bain de galvanisation et à la connaissance des inventeurs, seuls les dispositifs décrits ci-dessus seraient capables de faire cette mesure. Néanmoins, outre les inconvénients déjà mentionnés, ils ne sont pas optimisés pour des mesures à cet endroit et notamment la distance bande - capteur doit être plus grande que sur une table de sortie pour des raisons liées aux vibrations possibles de la bande. Cela réduit la sensibilité de la mesure et les vibrations sont également défavorables au fonctionnement de l'un de ces systèmes de mesure.

[0012] En sortie de recuit, on peut se placer à des températures plus basses auxquelles d'autres dispositifs peuvent fonctionner. Il s'agit par exemple de l'appareil 3MA développé par l'Institut Fraunhofer en Allemagne (http://www.anetworld.com/pdfs/3MA-ll datasheet web .pdf). Ce système permet la mesure de 22 paramètres magnétiques caractérisant les propriétés de l'acier. Même si ce système est essentiellement prévu pour des mesures off-line, une implémentation sur ligne de production semble possible. Cependant, ce système nécessite un étalonnage complexe qui doit être refait dès que la nuance d'acier change. De plus, il est également sensible à la distance bande - capteur et aux vibrations.

[0013] Un autre dispositif développé par la firme EMG, l'IMPOC (http://www.emq-automation.com/en/automation/qualitv-assuran ce- svstems/emq-impoc/) est spécifiquement conçu pour effectuer des mesures en ligne de production. Le principe consiste à générer un champ magnétique induit sur chaque face de la bande et à mesurer le gradient ainsi obtenu. A partir de lois de corrélations, on peut déduire les propriétés mécaniques de la tôle et, par un étalonnage approprié, la proportion d'austénite. Cependant, outre que le système ne peut travailler qu'à des températures proches de la température ambiante, il est aussi sensible à la distance bande - capteur, même si l'utilisation de mesures moyennes permet de s'affranchir de l'effet des vibrations.

[0014] Dans le document JP H07 190991 A, on vise à obtenir un procédé et un dispositif permettant de mesurer le taux de transformation d’une plaque d'acier dont le rapport S/B est amélioré en éliminant le bruit dû à la rotation des rouleaux par suppression des fluctuations dans la mesure de densité de flux magnétique créé par un moyen de génération de flux magnétique, ces fluctuations étant générées en fonction d’un changement de la température ambiante, où le dispositif de mesure du taux de transformation est installé et en fonction de l’écoulement du temps.

[0015] Le dispositif comprend un boîtier incluant un équipement de magnétisation destiné à générer un flux magnétique à partir du côté inférieur d'une plaque d'acier, un boîtier de détection comprenant un capteur magnétique destiné à détecter le flux magnétique sur le côté supérieur de la plaque d'acier et un circuit de traitement de signal destiné à obtenir la valeur mesurée du taux de transformation à partir de la mesure du capteur magnétique, l’équipement de magnétisation étant installé à un point de mesure A et à un point de référence B juste avant un enrouleur sur une même ligne de fabrication. Ensuite, avec une valeur de mesure au point de mesure B comme valeur de référence correspondant à un taux de transformation de 100%, on fournit un circuit de fonctionnement pour compenser et calculer une valeur mesurée du taux de transformation au point de mesure A sur la base de la valeur de référence. Les documents JP H08 62181 A et JP H07 325067 A décrivent des installations et des méthodes de mesure très similaires.

Buts de l'invention

[0016] La présente invention vise à s'affranchir des limitations des dispositifs de mesure actuels en ligne de production de la fraction d'austénite dans les aciers au carbone.

[0017] En particulier, la présente invention a pour but de permettre la mesure pratiquement en temps réel tant à haute qu’à basse température de la bande d'acier.

[0018] Elle a aussi pour but de permettre la mesure à une distance de plusieurs dizaines de millimètres de la bande en gardant une sensibilité suffisante.

[0019] Un autre but de l'invention est de permette une mesure qui n'est pas influencée par les vibrations de la tôle ainsi que par des changements de la distance capteur - bande pouvant être relativement importants.

[0020] Enfin le dispositif selon l’invention doit être simple, bon marché et fonctionner au-dessus comme en dessous du point de Curie. Principaux éléments caractéristiques de l'invention

[0021] L'appareil de l’invention se caractérise par deux bobines constituées de fil conducteur de l'électricité, par exemple de cuivre, enroulé autour d'un noyau ferromagnétique.

[0022] La première bobine, dite bobine émettrice, est raccordée à un générateur de courant alternatif, la seconde bobine, dite bobine réceptrice, est raccordée à un appareil qui permet de mesurer la tension alternative générée à ses bornes, par exemple un voltmètre mais aussi tout autre dispositif tel que système d'acquisition, d'enregistrement et/ou de visualisation.

[0023] Selon l’invention, les deux bobines sont disposées de part et d’autre de la bande d’acier avec une distance fixe entre elles, la distance entre la bande et chacune des bobines pouvant par contre varier suite, par exemple, aux vibrations de la bande. [0024] Plus précisément, un premier aspect de la présente invention se rapporte à un appareil pour la mesure électromagnétique et en temps réel du pourcentage d’austénite contenu dans une bande d’acier en défilement continu lors d’un procédé de fabrication ou de transformation en ligne de celle-ci, comprenant :

- un générateur de courant alternatif ;

- une première bobine alimentée par le générateur de courant alternatif, dite bobine émettrice et une seconde bobine dite bobine réceptrice ;

- un noyau en matériau ferromagnétique constituant respectivement le centre de chaque bobine ;

- un appareil de mesure de tension connecté aux bornes de la bobine réceptrice ;

de sorte que le champ magnétique produit par le courant alternatif circulant dans la bobine émettrice produit dans la bande d’acier des courants induits qui génèrent un champ magnétique induit créant dans la bobine réceptrice une force électromotrice mesurable par l’appareil de mesure de tension, l’amplitude de cette force électromotrice étant fonction de la tension appliquée à la bobine émettrice et de la nature de l’acier de la bande ; la première et la seconde bobines étant disposées parallèles entre elles ou coaxiales et, en utilisation, de part et d’autre de la bande d’acier ; ledit appareil étant caractérisé en ce que la distance entre les bobines est fixe et est comprise entre 10 et 200mm.

[0025] Selon des formes d’exécution préférées de l’invention, l’appareil est en outre limité par une des caractéristiques suivantes ou une combinaison appropriée d’entre elles :

- le noyau en matériau ferromagnétique comprend au moins une plaque plane mince parallèle à la surface de la bande d’acier ;

- le noyau en matériau ferromagnétique comprend au moins un cylindre d’axe parallèle ou perpendiculaire à la surface de la bande d’acier ;

- les deux bobines sont de même taille et sont placées de manière symétrique par rapport à la bande d'acier ;

- le noyau en matériau ferromagnétique comprend au moins une plaque principale ou un cylindre et un barreau ou une plaque secondaire perpendiculaire à la plaque principale ou au cylindre à chaque extrémité de celle-ci ou celui-ci, pour courber les lignes de champ qui seront générées ou captées par les bobines respectives ;

- l’axe des bobines est perpendiculaire à la direction de défilement de la bande ;

- la distance fixe entre les bobines est comprise entre 10 et 20 mm ;

- la fréquence du générateur de courant alternatif est comprise entre 50 et 500Hz ;

- la fréquence du générateur de courant alternatif est comprise entre 50 et 60Hz ;

- la fréquence du générateur de courant alternatif est comprise entre 100 et 500Hz ;

- chaque bobine comprend de 100 à 500 spires de fil électrique apte à laisser passer un courant alternatif compris entre 2 et 5A ;

- le nombre de spires est de 5 à 10 fois plus grand dans la bobine réceptrice que dans la bobine émettrice ;

- le générateur de courant alternatif est un autotransformateur rhéostat et l’appareil de mesure de tension un multimètre ou un système d’acquisition électronique comprenant un convertisseur analogique-digital couplé à un ordinateur qui enregistre et/ou visualise les valeurs mesurées ;

- la taille ou section de bande couverte par la plaque mince ou le cylindre est de l’ordre de 100x100mm à 200x200mm.

- l’appareil comporte un système de refroidissement à eau ou à air pour maintenir les bobines à une température proche de la température ambiante, de préférence de manière régulée.

[0026] Un second aspect de la présente invention concerne un procédé de mesure électromagnétique et en temps réel du pourcentage d’austénite contenu dans une bande d’acier en défilement continu lors d’un procédé de fabrication ou de transformation en ligne de celle-ci, au moyen de l’appareil décrit plus haut, caractérisé au moins par les étapes suivantes :

- on met en œuvre un système de refroidissement des bobines pour porter celles-ci à température ambiante ; - on fait défiler une bande d’acier de fraction austénitique inconnue entre les bobines et on mesure la tension générée aux bornes de la bobine réceptrice pour une tension donnée appliquée à la bobine émettrice ;

- en tenant compte d’une calibration préalable de l’appareil, on détermine la fraction austénitique de la bande d’acier.

[0027] Avantageusement, la calibration préalable de l’appareil est effectuée en faisant défiler entre les deux bobines des bandes de différentes nuances d’acier et de fraction austénitique connue et en mesurant la tension générée aux bornes de la bobine réceptrice, pour chaque valeur de tension à la bobine émettrice se trouvant dans une certaine gamme.

[0028] Un troisième aspect de l’invention se rapporte à une utilisation du procédé précité dans un laminoir à chaud, dans le cas d’une bande d’acier dont la température est inférieure à la température de Curie, la fraction austénitique de la bande d’acier étant déterminée en utilisant des fluctuations de perméabilité magnétique.

[0029] Un quatrième aspect de l’invention se rapporte à une utilisation du procédé précité dans un laminoir à chaud, dans le cas d’une bande d’acier dont la température est supérieure à la température de Curie, la fraction austénitique de la bande d’acier étant déterminée en utilisant des fluctuations de courants de Foucault liées à la différence de résistivité entre l’austénite et la ferrite.

Brève description des figures

[0030] La figure 1 décrit schématiquement le principe du dispositif selon l'invention.

[0031] La figure 2 illustre l'évolution, à température ambiante, de la tension aux bornes de la bobine réceptrice en fonction de la tension injectée aux bornes de la bobine émettrice pour divers types d'aciers contenant différentes fractions d'austénite. Description détaillée de l'invention

[0032] L'invention se rapporte à un dispositif magnétique permettant de mesurer la proportion d'austénite dans un acier au carbone. Cette invention vise essentiellement, mais pas exclusivement, deux applications dans la production d'aciers :

- le contrôle du refroidissement sur la table de sortie au laminage à chaud où la connaissance du pourcentage d'austénite permet de contrôler les vitesses de refroidissement ;

- le contrôle des propriétés mécaniques des aciers AHSS à la sortie des lignes de recuit et des bains de galvanisation.

[0033] Dans ces deux cas, le contrôle de la proportion d'austénite permet d'assurer la constance des propriétés mécaniques en assurant la constance de la phase austénitique qui doit se transformer en phases plus dures pendant la fin du refroidissement en ligne ou pendant la déformation de l'acier chez le client.

[0034] Le dispositif est constitué principalement de deux bobines, elles- mêmes fabriquées chacune en enroulant un fil conducteur électrique sur un noyau ferromagnétique. Ce noyau est généralement constitué d'une plaque, pouvant être plate ou cintrée, de quelques millimètres d'épaisseur et éventuellement terminée, à chaque extrémité, par un barreau ou une autre plaque perpendiculaire à la plaque principale. Ces extrémités, qui ne sont pas indispensables à l'invention, ont pour but de courber les lignes du champ magnétique qui sera généré ou capté par les bobines.

[0035] Les dimensions de la plaque principale du noyau peuvent varier dans une large mesure selon qu'on veut obtenir une valeur moyenne du pourcentage d'austénite sur toute la largeur de la bande d'acier ou plus localement afin d'établir éventuellement un profil de distribution de la fraction austénitique sur la largeur de la bande.

[0036] Les plaques sont préférentiellement placées parallèlement à la surface de la tôle, une de chaque côté, en face l'une de l'autre, et le fil est bobiné préférentiellement dans le sens de la largeur de la bande d'acier bien que toute autre configuration puisse être envisagée. Par exemple, les plaques pourraient avantageusement être remplacées par des cylindres d’axe placé soit parallèlement soit perpendiculairement à la surface de la bande d'acier, un de chaque côté de celle-ci.

[0037] Un générateur de courant fait passer un courant alternatif dans la première bobine. Ce courant variable au cours du temps génère un champ magnétique variable dans la bande d'acier avec naissance de courants induits, les courants de Foucault. Selon la nature plus ou moins ferromagnétique et plus ou moins résistive de cette bande, ces courants de Foucault créent un champ magnétique induit plus ou moins important qui traverse et est capté par la deuxième bobine (bobine réceptrice). Ce champ génère, aux bornes de cette bobine, une tension (force électromotrice) alternative dont l'amplitude dépend de la nature du matériau constituant la bande d’acier. Cette tension peut être mesurée ou enregistrée à l'aide d'un dispositif tel qu'un voltmètre ou de tout autre système d'acquisition ou de mesure dont le principe est connu de l'homme de l'art.

[0038] Par un étalonnage simple et direct, il est alors facile de relier la tension mesurée au pourcentage d'austénite présent dans la bande d'acier.

[0039] L'inductance de la bobine réceptrice est conditionnée par la sensibilité du dispositif de mesure. Il est ainsi possible d'utiliser par exemple une centaine de spires pour la première bobine et un courant de quelques ampères tout en utilisant un nombre de spires cinq à dix fois plus grand pour la bobine secondaire.

[0040] La fréquence du courant alternatif est idéalement assez basse de manière à éviter l'effet pelliculaire et à permettre une analyse dans la plus grande épaisseur possible de la tôle. Une fréquence de 50 à 60Hz est particulièrement intéressante puisqu'elle correspond à celle des réseaux de distribution d'énergie électrique.

[0041] Une fréquence plus basse n'est pas conseillée car le temps de réaction pour stabiliser la mesure deviendrait trop important pour les vitesses de production des lignes industrielles visées principalement par l'invention.

[0042] A l’inverse, on peut utiliser une fréquence plus élevée, jusqu’à 500Hz environ, de manière à garder une profondeur de pénétration des courants induits réduite mais suffisante. [0043] Ce dispositif est particulièrement simple et peut être fabriqué en matériaux résistant à la température. Un système de refroidissement par eau ou par air par exemple permet de l'utiliser à des endroits ou la bande à mesurer est à température élevée.

[0044] De plus, comme l'intensité de l'induction magnétique varie linéairement avec la distance, seule la distance entre les deux bobines doit être constante et non la distance entre une quelconque des bobines et la tôle. Ceci permet de s'affranchir de vibrations ou de changements de position de la bande à mesurer.

[0045] Il en résulte que la présente invention permet d'éviter la majorité des inconvénients des systèmes de mesure décrits dans l'état de l'art.

[0046] La figure 2 illustre la sensibilité de la mesure à température ambiante sur quatre types d'acier qui contiennent des pourcentages différents d'austénite, depuis un acier purement ferritique ("Acier doux") jusqu'à un acier purement austénitique ("Inox"). Les aciers "TRIP" et "Duplex" contiennent respectivement environ 15 - 20% et 60% d'austénite. En appliquant une tension à la bobine émettrice (abscisse), on génère une tension dans la bobine réceptrice (ordonnée) qui dépend du pourcentage d'austénite dans l'acier. De plus, comme on le constate sur cette figure, les rapports entre les tensions restent pratiquement constants si la tension dans la bobine émettrice est modifiée.

[0047] Dans le document JP H07 190991 A, le système de détection est destiné aux tables de sortie des laminoirs à chaud et pour une utilisation correspondant à des changements de phase se produisant à des températures inférieures à la température de Curie parce qu’il se base exclusivement sur la corrélation entre les variations de perméabilité magnétique et les caractéristiques mécaniques de la bande d’acier.

[0048] Dans la présente demande, le système de détection est utilisable également au-dessus du point de Curie parce que le traitement du signal inclut les variations dues aux courants de Foucault liées à la résistivité différente des phases austénitiques et ferritiques. Cette propriété est intéressante car s’il existe des aciers se trouvant dans une phase 100% austénitique dont la température est inférieure à la température de Curie (les aciers eutectoïdes par exemple), pour la plupart des aciers et notamment les nouveaux aciers AHSS, la transformation de phase s’effectue au-dessus de la température de Curie.

Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention

[0049] Le dispositif proposé selon une forme d'exécution préférée de l'invention est décrit schématiquement à la figure 1 . Les deux bobines 1 , 2 sont placées de part et d'autre de la bande à analyser 5 à une distance comprise préférentiellement entre 10 et 20mm. Les plaques constituant le noyau des bobines comportent chacune une plaque principale 6 et un barreau ou une plaque secondaire 7 situé(e) perpendiculairement aux extrémités de la plaque principale 6. La taille des plaques en matériau ferromagnétique constituant le cœur des bobines varie idéalement, mais pas exclusivement, avec une section ou une surface de bande couverte de l'ordre de 100mm x 100mm jusqu'à 200mm x 200mm selon la largeur sur laquelle on veut moyenner le signal. Leur épaisseur est comprise idéalement entre 2 et 5mm.

[0050] Chaque bobine est constituée de 100 à 500 spires d'un fil de diamètre suffisant pour laisser passer un courant alternatif de l'ordre de 2 à 5 ampères obtenu par exemple à l'aide d'un autotransformateur rhéostat 3 branché sur le secteur. La tension au secondaire est mesurée à l'aide d'un multimètre 4.

[0051] Dans une autre forme d'exécution préférée, l'autotransformateur est remplacé par un générateur de courant alternatif ayant une fréquence comprise entre 100 et 500Hz, ce qui permet de garder une profondeur de pénétration suffisante pour l'analyse de tôles minces (1 à 2mm d'épaisseur) tout en permettant de réagir plus rapidement à des variations locales du pourcentage d'austénite.

[0052] Une autre forme d'exécution préférée comprend en plus un circuit de refroidissement, idéalement par eau ou par un autre fluide caloporteur. Celui- ci maintient la température des bobines à une valeur proche de la température ambiante, de préférence de manière régulée. Cette forme d'exécution permet d'effectuer des mesures sur une bande d'acier portée à haute température sans augmenter de manière incontrôlée la résistivité du fil des bobines.

[0053] Dans encore une autre forme d'exécution préférée, le multimètre est remplacé par un système d'acquisition électronique constitué d'un convertisseur analogique-digital connecté à un ordinateur qui enregistre et visualise les valeurs mesurées. Cet ordinateur peut également convertir la tension mesurée en pourcentage d'austénite grâce à l'utilisation de données d'étalonnage établies au préalable.