DECALAMINAGE SECONDAIRE ECONOMIQUE

La présente invention a trait à l'opération de décalaminage d'une bande métallique, en acier notamment, en défilement en cours de laminage à chaud avant son entrée dans les cages dégrossisseuses ou finisseuses du train de laminage

On rappelle que cette opération est plus couramment appelée "décalaminage secondaire", par opposition au décalaminage "primaire" qui lui intervient sur les brames d'acier à leur sortie du four de réchauffage avant laminage. On rappelle également que le décalaminage secondaire des bandes d'acier vise à débarrasser la surface de la bande de la calamine, dite secondaire, qui s'est formée par réoxydation rapide du métal chaud au cours du séjour de la bande à l'air libre après son décalaminage primaire à sa sortie du four. Il intervient donc doublement au cours du laminage, d'abord avant l'entrée de la bande dans le dégrossisseur, puis avant son entrée dans le finisseur du train de laminage. Par souci de simplicité, on se référera dans ce qui suit uniquement au cas du décalaminage secondaire à l'entrée du finisseur, étant entendu que ce qui est dit à ce propos s'applique pour l'essentiel également au décalaminage secondaire à l'entrée du dégrossisseur. La calamine secondaire se présente en général sous la forme d'une couche adhérente d'oxydes métalliques, classiquement entre 50 et 100 μm d'épaisseur, plutôt irrégulière d'aspect. Le décalaminage secondaire est réussi quand il fournit à l'entrée du finisseur une bande d'acier comportant en surface une couche uniforme de calamine résiduelle de 20 à 30 μm d'épaisseur à peine, guère au delà pour éviter des incrustations d'oxydes sur les cylindres de laminage.

Pour ce faire, l'opération de décalaminage consiste schématiquement à impacter la surface de la bande en défilement par des jets d'eau puissants délivrés par des rampes d'arrosage placées à faible distance et dotées de buses d'injection alimentées sous haute pression, classiquement au dessus de 130-150 bars, voire à plus de 200 bars dans certains cas. On vise ainsi à conjuguer un effet thermique (la température de surface de la bande, autour de 1 100 ⁰ C à l'entrée du décalaminage, chute quasi instantanément à près de 600 ⁰ C) avec un effet mécanique dû à la forte quantité de mouvement des jets d'eau à l'impact afin de fissurer la calamine et de l'éliminer de la surface par effet de chasse. Cette opération a classiquement lieu dans une boîte de décalaminage, longue de 1 à 2 m environ, placée à quelques 5 m en amont des cages finisseuses, traversée par la bande d'acier en défilement rectiligne rapide et abritant les rampes d'arrosage supérieures et inférieures dotées de buses inclinées à contre-courant d'une dizaine de degrés.

Quoique maillon indispensable à toute chaine d'élaboration de l'acier incorporant une phase chaude (sauf à vouloir placer le train de laminage dans son

entier sous atmosphère non oxydante-ce qui n'est évidemment guère envisageable), le décalaminage secondaire reste une opération onéreuse, moins d'ailleurs par les importantes quantités d'eau qu'elle implique (l'eau utilisée est recyclée) qu'en raison des équipements à haute pression hydraulique qui la serve, et à l'égard de laquelle il convient de s'interroger sur les possibilités d'en réduire le coût, particulièrement en termes de maintenance des pompes et des circuits, et de consommation électrique.

Le but de l'invention est d'apporter une réponse immédiatement opérationnelle à la question de la réduction des coûts de l'opération de décalaminage secondaire, c'est-à-dire une réponse compatible avec un simple réaménagement des équipements existants, donc sans impliquer nécessairement la réinstallation d'un nouveau matériel complet de décalaminage secondaire.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de décalaminage secondaire des bandes métalliques, en acier notamment, en défilement au cours de leur laminage à chaud par projection d'eau à leur surface à l'aide de rampes d'arrosage à buses alimentées en eau sous pression, caractérisé en ce que l'on alimente les buses sous basse pression hydraulique, ne dépassant pas 30 bars (et de préférence en dessous de 10 bars, mais sans aller à moins de 3 bars environ), et en ce que, dans le but d'assurer un effet thermique de l'eau projeté sur la surface à décalaminer quantitativement analogue à l'effet thermique obtenu avec la méthode de décalaminage secondaire connue habituelle à haute pression (i.e. un refroidissement de la bande qui abaisse la température de sa surface oxydée à 600 ⁰ C environ), on dimensionne lesdites buses afin qu'elles délivrent un débit d'eau surfacique sur la bande analogue au débit d'eau surfacique délivré par ladite méthode à haute pression.

De préférence, le débit d'eau surfacique est supérieur à 2500 1/mn/m ² et avantageusement de 7500 1/mn/m ² .

L'invention concerne également un procédé de décalaminage secondaire des bandes métalliques, en acier notamment, en défilement au cours de leur laminage à chaud par projection d'eau à leur surface à l'aide de rampes d'arrosage à buses alimentées en eau sous pression, caractérisé en ce que l'on alimente les buses sous basse pression hydraulique, ne dépassant pas 30 bars, et en ce que, dans le but d'assurer un effet thermique de l'eau projeté sur la surface à décalaminer quantitativement analogue à l'effet thermique obtenu avec la méthode de décalaminage secondaire connue habituelle à haute pression , on règle lesdites buses afin que la densité du flux de chaleur extraite de la bande (EfF) résultant du refroidissement de sa surface par l'eau projetée soit analogue à celle réalisée avec ladite pratique connue à haute pression.

Dans ce cas, la densité de flux de chaleur extraite de la bande (HF) est comprise entre 6,5 et 20 MW/m ² pour une température de bande comprise entre 900 et 1100 ⁰ C.

Avantageusement, la densité de flux de chaleur est comprise entre 10 et 11 MW/m ² pour une température de bande comprise entre 900 et 1100 ⁰ C.

Le procédé selon l'invention peut également comprendre différentes caractéristiques, prises seules ou en combinaison : - on alimente les buses avec une pression hydraulique inférieure à 10 bars, sans toutefois descendre en deçà de 3 bars,

- le procédé de l'invention est mené en amont des cages finisseuses d'un train de laminage à chaud de bandes d'acier,

- le procédé de l'invention est mené en amont des cages dégrossisseuses d'un train de laminage à chaud de bandes d'acier.

Enfin, l'invention porte également sur un équipement de décalaminage secondaire de bandes métalliques en défilement, de bandes en acier notamment, comprenant des rampes d'arrosage pourvue de buses de projection d'eau à la surface de la bande, caractérisée en ce qu'elle comporte une unité "basse pression" d'alimentation en eau desdites buses des rampes d'arrosage.

Comme on l'aura sans doute déjà compris, l'invention repose sur la découverte que c'est bien plus l'effet thermique des jets d'eau sur le refroidissement de la croûte d'oxydes qui agit en faveur du décalaminage secondaire que leur effet mécanique sur la fragmentation de cette croûte d'oxydes à la surface de la bande, ou, dit autrement, que l'effet "nettoyage haute pression" des jets puissants à leur impact, comme on le pensait jusqu'ici.

Pour caractériser cette similarité d'effet thermique entre le procédé de l'invention et le procédé classique haute pression, on parlera soit en débit d'eau surfacique, étant entendu que ce débit doit être réglé selon la température de la bande à l'entrée du décalaminage, soit en densité de flux de chaleur extraite de la bande qui intègre à la fois les paramètres de température de bande et de débit d'eau surfacique. Mais quelque soit l'une ou l'autre façon de s'exprimer et de caractériser le procédé, il s'agit de la même considération de base à savon- l'utilisation de la basse pression en préservant l'effet thermique engendré par l'utilisation de jets haute pression. Tant en amont des cages finisseuses qu'en amont des cages dégrossisseuses, la réussite du décalaminage secondaire se trouve être en fait directement et quasiment uniquement liée à l'efficacité thermique du refroidissement de la couche d'oxydes à éliminer, ce indépendamment donc de la pression d'alimentation des buses des rampes d'arrosage. Dit autrement, à efficacité thermique égale, la qualité du décalaminage secondaire obtenu sera la même, que l'on décalamine à jets haute pression ou non.

On souligne, pour éviter toute confusion, que les expressions utilisées ici d ¹ " effet thermique du refroidissement" et d"' efficacité thermique" sont équivalentes. Elles expriment le fait que, au cours du bref temps de séjour de la bande dans la boîte de décalaminage (de l'ordre de la seconde à peine), il s'agit d'assurer une chute de la

température de la couche d'oxydes jusqu'à environ 600 ⁰ C, ce quelque soit sa température à l'entrée de cette boîte. On sait que la grandeur physique sous-jacente, et ordinairement mesurable sur un train de laminage, est la densité de flux calorique extrait. Dès lors, le remplacement des jets puissants habituels (100 bars et au delà) par des- jets "basse pression" (moins de 30 bars) suffît à assurer- la contraction thermique de la croûte d'oxydes, contraction qui va se traduire par des décollements de cette croûte, parachevés par l'énergie des jets qui, quoique modeste, suffit ici amplement à la tâche pour rendre alors aisé l'enlèvement de la calamine par simple action de balayage et d'entrainement à l'eau ruisselant à la surface.

Ces effets en cascade sont obtenus avec des jets "basse pression", conformément à l'invention, pour peu, comme on l'a déjà dit, qu'on leur fasse assurer le même niveau de refroidissement de la couche d'oxydes sur la bande qu'avec les jets "haute pression", niveau de refroidissement qui sera en fait atteint en conservant tout simplement le débit surfacique d'eau de refroidissement sur la bande.

Ainsi, le remplacement de l'alimentation en eau habituelle "haute pression" par une alimentation "basse pression", devient une solution immédiatement applicable industriellement pour bénéficier ainsi d'un avantage économique considérable sans concéder sur la qualité de décalaminage. L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit donnée en référence à la planche unique jointe de figures sur laquelle:

- la figure 1 est un tracé de courbes, dites d'ébullition, issues de l'expérience et montrant, en fonction de la température de surface de la bande, l'efficacité thermique comparée d'un décalaminage secondaire avant l'entrée au finisseur mené avec des pressions hydrauliques d'eau projeté différentes. Cette efficacité thermique est traduite quantitativement en ordonnée par la densité surfacique de flux thermique extrait (HF), donnée en MW/m2 de surface de bande métallique;

- la figure 2 montre l'efficacité de ce décalaminage secondaire, en termes d'épaisseur résiduelle de la couche de calamine en micromètres (e _c ) dans une plage de températures de surface de la bande d'acier décalaminée (900-1050 ⁰ C) délibérément choisie conforme aux températures d'entrée dans les cages finisseuses.

Sur la figure 1, la courbe de référence est la courbe A. Cette courbe A résulte d'un décalaminage secondaire classique mené à l'aide de jets d'eau puissants issus de buses alimentées sous 130 bars de pression. Les deux autres courbes B et C sont représentatives de jets "basse pression" de 8 bars chacune, l'une (courbe B) résultant d'essais menés avec un débit surfacique d'eau d'arrosage égal à celui de la courbe A à jets "haute pression", à savoir 7 500 1/min/m ² , l'autre, la courbe C,

résultant d'essais menés avec un débit surfacique sensiblement inférieur: 1500 1/min/m ² .

Il importe de rappeler à nouveau ici que le critère de réglage d'un décalaminage secondaire "basse pression" réussi, conformément à l'invention, réside dans le maintien dans la couche d'oxyde d'un effet thermique analogue à celui réalisé classiquement avec des jets "haute pression" (courbe A). Celui-ci doit se traduire au final par une baisse de la température de l'ébauche de 20 à 100 ⁰ C (selon la nuance d'acier à laminer) entre son entrée dans la boîte d'arrosage (classiquement 1100 ⁰ C environ pour un acier au carbone par exemple) et son entrée dans les cages finisseuses du laminoir (classiquement 1030 ⁰ C environ).

Pour y parvenir, compte tenu du faible temps de séjour de la bande sous les rampes d'arrosage (de l'ordre de la seconde), il convient donc d'assurer sous ces rampes un refroidissement qui fasse brutalement chuter la surface de la bande jusqu'à 600 ⁰ C environ, afin, d'une part, que la vitesse de refroidissement de la croûte d'oxydes soit suffisamment élevée pour que la contraction thermique différentielle oxydes-métal qui en résulte parvienne à décoller cette croûte en la fragmentant le plus possible et, d'autre part, que l'inévitable apport calorifique ultérieur du cœur de la bande vers la surface fasse atteindre à cette dernière la température souhaitée à l'entrée des cages finisseuses. Cet effet thermique, qui s'exprime donc par une vitesse élevée de refroidissement momentané de la surface de la bande (de plusieurs centaines de degrés/sec) a été exprimé, pour le paramétrage des trois courbes du graphe, par une grandeur physique classiquement accessible à partir de la mesure, à savoir la densité de flux de chaleur extrait du produit en cours de laminage par l'eau projetée (Heat Flux en anglais abrégé, ou HF), grandeur exprimée en MW/m ² . Or, cette grandeur caractéristique est particulièrement seyante pour dimensionner une installation de. décalaminage, car elle est corrélée au débit d'eau de refroidissement par m ² de bande (le débit d'eau surfacique) qui, lui, est un paramètre qui peut être obtenu facilement à partir de la définition du fonctionnement du décalaminage: schématiquement, à une valeur de HF correspond un débit surfacique d'eau de refroidissement.

Ainsi, comme on le voit, le HF du décalaminage "Haute Pression" de référence (courbe A) a été maintenu constant autour de 10 MW/m ² tout du long de l'opération d'arrosage (température de surface allant de 1100 à 600 ⁰ C). Ceux des décalaminages "Basse Pression" selon l'invention ont été maintenus respectivement sur la même plage de températures entre 10 et 18 MW/ m ² dans le cas expérimental représentatif de la courbe B et entre 6 et 10 MW/ m ² pour le cas de la courbe C.

On notera que la valeur HF se calcule en fait à partir de données propres à chaque équipement de décalaminage que sont, pour ne citer que les plus importantes, la température de l'eau de refroidissement (ici à 20 ⁰ C pour tous les essais), le type de buses de projection, la pression de sortie de l'eau de ces buses, la distance séparant le

nez de buse de la surface de la bande à décalaminer, ainsi que l'angle d'ouverture du jet à la sortie de la buse.

On observera que l'allure générale est la même pour la courbe B et la courbe C: une montée commune jusqu'à une température de surface de bande de 450 ⁰ C environ, suivie d'une bosse ayant son maximum entre 550 et 600°C pour les deux, mais avec intensités différenciées cette fois. Ensuite, la décroissance s'opère quasiment en parallèle entre les deux courbes jusqu'à 1100 ⁰ C, qui est la température commune d'entrée des bandes d'essais dans les boîtes de décalaminage

On remarquera que c'est précisément à ce niveau là de la plage en températures (1100 à 900 ⁰ C pour être large) que l'intérêt industriel du procédé selon l'invention doit être surtout apprécié puisque la quasi-totalité des trains de laminage à chaud de bandes d'acier fonctionnent avec des températures de bande à l'entrée des cages finisseuses situées entre 900 et 1100 ⁰ C.

Or, c'est précisément dans cette plage en températures que l'on observe une qualité de décalaminage quasiment équivalente entre la courbe de référence à haute pression A et la courbe basse pression B, équivalence à corréler bien entendu à celle des valeurs de HF sur le graphe (entre 10 et 11 MW/m ² ). Par contre, par rapport à elles, la courbe basse pression C, qui affiche un HF sensiblement inférieur (un peu moins de 7 MW/m ² ), traduit une qualité de décalaminage corrélativement moins bonne.

Comme le montre en effet les essais menés sur un pilote industriel et consignés sur figure 2, c'est dans cette plage en températures que l'on constate l'obtention d'une couche de calamine résiduelle fine, ne dépassant guère 23 μm d'épaisseur, que l'on utilise une configuration BP à 6 bars, ou HP à 100 bars, reflétant ainsi une qualité de décalaminage quasiment identique pour ces deux options.

Il est précisé que ces essais ont été menés sur une bande d'acier bas carbone de type ISF avec une distance "buse-bande d'acier" de 160 mm identique dans chaque cas, de même pour ce qui concerne le débit d'eau projeté par buse, à savoir 1101/min, de même encore pour ce qui concerne la vitesse de défilement de la bande d'acier à 60 m/min et la température de l'eau projetée (20 ⁰ C). L'efficacité du décalaminage a été évaluée (en ordonnées) à partir de la mesure de l'épaisseur de calamine résiduelle à la surface de la bande par observation de coupes micrographiques du produit décalaminé.

De façon plus générale, il a été évaluée que le décalaminage selon l'invention peut être mené pour une densité de flux de chaleur extraite du produit comprise entre 6,5 et 20 MW/m2 et, lorsque l'on se réfère au débit d'eau surfacique, pour un débit supérieur à 2500 l/mn/m2.

Les densités de flux exprimées plus haut sont mesurées sous la rampe dans la zone d'impact des jets du décalaminage.

On retrouve là, chiffres à l'appui, ce qui a été déjà souligné auparavant, à savoir l'importance de travailler avec une efficacité thermique (HF) conservée par rapport à ce qui se pratique traditionnellement, lorsque l'on passe d'un décalaminage "haute pression" à un décalaminage "basse pression" conformément à l'invention. Le choix du niveau de la basse pression à maintenir s'avère en effet d'importance du second ordre par rapport au maintien du HF, ceci, bien entendu, tant que l'on ne descend pas trop bas en pression, disons autour de 3-5 bars minimum. Sinon les débits d'eau surfaciques requis, donc les niveaux de HF requis (de l'ordre de 10 MW/m ² ) ne pourraient plus être atteints, sauf à multiplier les rampes d'arrosage, mais avec le risque néanmoins de ne plus pouvoir assurer l'effet de contraction thermique de la croûte d'oxydes nécessaire à son décrochage de la surface métallique support.

Inversement, l'intérêt économique de travailler industriellement avec une "basse pression" qui se situerait à plus de 30 bars s'estompe brutalement à ce niveau de pression puisque les équipements nécessaires y sont ceux, ou proches de ceux, que l'on utilise déjà aujourd'hui pour les "hautes pressions".

On aura compris que l'invention pourra être aisément mise en œuvre en fonctionnant avec des pompes alimentées à basse pression, économisant ainsi de l'énergie et réduisant les coûts de maintenance, pour peu que l'on adaptera au besoin la conformation des buses afin d'assurer un débit d'eau surfacique équivalent à celui qui aurait été pratiqué en configuration haute pression.

Les buses utilisées pour la mise en œuvre du procédé de l'invention seront disposées à la même distance de la bande que la distance appliquée lors du procédé de décalaminage connu à haute pression. On notera d'autres avantages supplémentaires liés à l'utilisation de rampes basse pression à la place de la haute pression pour réaliser le décalaminage secondaire, comme:

- la possibilité de fractionner les rampes basse pression à faible coût. Le fractionnement des rampes permettra d'arroser au plus juste, à savoir la bande à décalaminer uniquement et non pas toute la largeur du train de laminage, ce qui induit des économies d'eau, une réduction de la masse d'eau qui circule en boucle et donc une réduction corrélative du coût énergétique supplémentaire;

- la possibilité d'utiliser les rampes "basse pression" comme un actionneur de réglage de la thermique de la bande à son entrée dans le finisseur; - l'usure moindre des buses de projection d'eau;

- la réduction globale des coûts de maintenance de l'installation (pompes, vannes, circuits...).

Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples décrits ci-avant, mais s'applique à de multiples variantes et équivalents. En particulier, on rappelle qu'elle concerne toute forme de décalaminage secondaire, c'est à dire d'enlèvement

de calamine préalablement formée par oxydation à chaud d'une surface métallique au contact de l'air ambiant.