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Procédé de fabrication de fil machine à haute résistance en acier dur et dispositif pour sa mise en oeuvre.
La présente invention concerne un procédé de fabrication de fil machine à haute résistance en acier dur, c'est-à-dire en acier dont la teneur en carbone est supérieure à 0,4 %, et de préférence supérieure à 0,6 %. Elle porte également sur un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Au sens de la présente demande, le fil machine à haute résistance présente une charge de rupture supérieure à 1000 MPa, et de préférence de l'ordre de 1200 MPa.
Le fil machine à haute résistance fait actuellement l'objet d'une demande accrue, en particulier dans le secteur de la tréfilerie. Il en résulte que l'augmentation de résistance recherchée, qui implique un durcissement du fil, ne doit pas compromettre l'aptitude de ce fil au tréfilage, et qu'il faut donc garantir l'obtention d'une structure favorable à cette opération.
On sait que la structure la plus favorable au tréfilage est une structure de fine perlite, dont l'obtention requiert le respect de deux conditions essentielles. Il faut d'une part abaisser la température du début de la transformation allotropique. D'autre part, il est nécessaire de limiter la
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recalescence du fil, c'est-à-dire son réchauffement sous l'effet de la chaleur de transformation.
Le moyen classique pour obtenir cette structure est le patentage au plomb, qui peut être appliqué soit après le laminage chez le producteur, soit plus tard, en particulier chez l'utilisateur avant le tréfilage. Il est quelquefois nécessaire de pratiquer le patentage au plomb à chacun de ces deux stades.
Le patentage au plomb est cependant un procédé coûteux qui requiert de nombreuses manipulations et impose des précautions qui limitent fortement la productivité des installations.
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On a déjà proposé de nombreux procédés de fabrication d'un fil machine qui puisse être tréfilé sans devoir subir un patentage au plomb.
A cet égard, on peut mentionner en particulier le procédé qui est connu par le brevet LU-A-85475 et qui se trouve à l'origine de la présente invention.
Ce procédé consiste à appliquer au fil un refroidissement en deux phases immédiatement après sa sortie du laminoir. La première phase consiste en un refroidissement rapide du fil en ligne, jusqu'à une température de surface comprise entre Ms et (Ms + 200*C), sans qu'il y ait de transformation notable de l'austénite. Le fil est ensuite déposé en spires étalées sur un convoyeur, où il est soumis à la seconde phase de refroidissement en vue d'assurer la transformation d'au moins 95 % de l'austénite.
Il est cependant apparu que ce procédé ne permettait pas toujours d'obtenir les propriétés visées, dans les conditions normales de marche des trains à fil actuels, en particulier à la vitesse normale de ces trains. D'une part, il conduit à une température de surface inférieure au point Ms à la fin de la première phase. D'autre part, l'irrégularité du refroidissement sur le convoyeur provoque des défauts d'homogénéité dans la structure du fil et par conséquent dans ses propriétés.
La présente invention a pour objet de proposer un procédé de fabrication de fil machine à haute résistance en acier dur, qui ne présente pas les inconvénients précités, grâce à un traitement thermique approprié du fil à sa sortie du laminoir.
Conformément à l'invention, il est proposé un procédé de fabrication de fil machine à haute résistance en acier dur, dans lequel on soumet le fil à un refroidissement contrôlé à partir de sa température de fin de laminage, caractérisé en ce que l'on abaisse ladite température de fin de laminage à une valeur comprise entre 850.
C et la température A3 dudit acier, en ce que l'on refroidit le fil en ligne à partir de ladite valeur de la température de fin de laminage jusqu'à une température de surface supérieure au point Ms dudit acier, en au moins une opération assurant la transformation d'au moins 75 % de l'austénite en perlite dans ledit fil, ledit refroidissement ayant une durée totale comprise entre 0,5 s et 5 s
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avec une densité moyenne de flux calorifique comprise entre 1 MW/m2 et 5 MW/mZ, et en ce que l'on enroule le fil en bobine pour son refroidissement final jusqu'à la température ambiante.
La densité de flux calorifique, exprimée en MM/m, représente la quantité de chaleur extraite du fil par unité de surface, pendant le refroidissement. Pour un corps donné, par exemple un fil, elle dépend notamment de la différence de température entre le corps à refroidir et l'agent de refroidissement ; de ce fait, elle peut varier au cours du refroidissement du fil. La valeur indiquée dans la présente demande est la valeur moyenne de la densité de flux calorifique pendant le refroidissement. Cette valeur varie également avec le diamètre du fil. Les domaines précités de variation de cette valeur ainsi que de la durée de refroidissement correspondent à la gamme habituelle des diamètres du fil machine, à savoir de 5,5 mm à 12 mm.
Selon une mise en oeuvre particulière du procédé de l'invention, on réalise le refroidissement du fil machine en ligne en deux opérations successives, qui assurent respectivement d'abord l'abaissement de la température du début de la transformation allotropique et ensuite la neutralisation de la recalescence pendant cette transformation.
Dans cette variante, on effectue la première opération de refroidissement, à partir de la température de fin de laminage, pendant une durée de 0,2 s à 2 s avec une densité moyenne de flux calorifique comprise entre 1,5 MW/m2 et 5 MW/m, et la seconde opération de refroidissement pendant une durée de 0,3 s à 3 s avec une densité moyenne de flux calorifique comprise entre 1 MW/m2 et 4 MM/m.
En principe, le refroidissement du fil machine peut être réalisé par tout agent de refroidissement conventionnel, en particulier l'eau ou l'air.
Il s'est cependant avéré intéressant, dans le cadre du procédé de l'invention, d'utiliser un agent de refroidissement différent pour chaque opération de refroidissement.
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Dans la variante particulière précitée, on peut ainsi utiliser de l'eau pour la première opération de refroidissement, qui correspond à un refroidissement rapide, et de l'air pour la seconde opération de refroidissement, qui est plus modérée et dure plus longtemps.
Toujours dans le cadre de cette variante particulière, on peut utiliser de l'air pulsé à faible fréquence pour la seconde opération de refroidissement.
A l'issue de ce refroidissement, le fil machine présente une température de surface supérieure au point Ms de l'acier, ce qui exclut toute formation de martensite. Il présente également une température moyenne sur la section telle qu'au moins 75 % de l'austénite sont transformés en perlite, de manière homogène.
Après le refroidissement tel qu'il vient d'être décrit, le fil est enroulé en bobine, de manière connue en soi, et il se refroidit lentement à l'air jusqu'à la température ambiante. Ce dernier refroidissement n'a pas d'autre effet métallurgique que de permettre l'achèvement de la transformation de l'austénite.
Un autre aspect de la présente invention porte sur un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé qui vient d'être décrit.
Ce dispositif est installé à la sortie des cages finisseuses du laminoir à fil et dans le prolongement de celles-ci.
Il comporte au moins une rampe de refroidissement, avec ses dispositifs d'arrivée et éventuellement d'évacuation de l'agent de refroidissement, ainsi que des moyens de reformation des bobines de fil.
La rampe de refroidissement est avantageusement scindée en deux parties qui se succèdent dans le prolongement l'une de l'autre et qui comportent chacune leurs propres dispositifs d'arrivée et d'évacuation de l'agent de refroidissement.
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Afin de faire bien comprendre l'objet de la présente invention, on va décrire à présent un exemple de mise en oeuvre, en se référant aux dessins annexés dans lesquels la Fig. 1 illustre l'évolution de la température minimum de surface du fil en fonction de la température de fin de laminage ; la Fig. 2 montre l'évolution de la température de dépose d'une part, et du pourcentage d'austénite transformée d'autre part, en fonction de la température de fin de laminage ; et la Fig. 3 représente schématiquement un dispositif à deux rampes de refroidissement, conforme à l'invention.
Le présent exemple illustre la fabrication d'un fil de Il mm de diamètre, en acier contenant 0,76 % C et 0,29 % Mn, qui doit présenter une charge de rupture de 1200 MPa. Le fil est laminé à une vitesse de 33 m/s.
A la sortie du laminoir, le fil a subi un refroidissement en deux opérations, dans des rampes successives de longueurs respectives L-43 m et Ly = 57 m. La durée des opérations de refroidissement correspondantes était donc de Tl 1, 295 s et T2 = 1,717 s respectivement.
Ces valeurs sont fixées par les conditions de marche de la ligne de traitement. L'opérateur ne dispose donc plus que de deux variables indépendantes pour régler le procédé et obtenir le résultat visé : la température de fin de laminage (To) et la densité moyenne de flux calorifique dans les rampes de refroidissemnt (01, 2). Les valeurs de ces deux variables doivent être choisies en tenant compte des conditions suivantes : -la température minimum de surface du fil à la sortie de la rampe de refroidissement (Tm) doit être aussi élevée que possible, et en tous cas supérieure à la température Ms de l'acier utilisé ;
- la température de dépose du fil (Td)), c'est-à-dire la température moyenne prise sur la section du fil à la sortie de la rampe de refroidissement, doit être aussi élevée que possible ; - le pourcentage d'austénite transformée en perlite (z) à la sortie de la rampe de refroidissement doit être aussi élevé que possible, de préférence atteindre au moins 75 %.
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La Fig. 1 illustre l'évolution de la température minimum de surface du fil (Tm) en fonction de la température de fin de laminage (To) dans les deux cas suivants : -la courbe (a) correspond à un procédé où le refroidissement a été effectué à l'eau dans une rampe de 43 m de longueur avec une densité moyenne de flux calorifique 0-3, 78 MWIW. On voit que, à la vitesse normale de laminage et même pour des températures de fin de laminage (To) inférieures à la pratique, la température Tm est inférieure à celle du point Ms de l'acier.
- la courbe (b) correspond au procédé de l'invention, où le refroidissement a été effectué en deux opérations successives, respectivement à l'eau et
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à l'air, dans des rampes de longueur Li = 43 m et L2 = 57 m et avec des densités moyennes de flux calorifique 1 = 2, 26 MW/m2 et 02 = 1, 92 MW/m2. Ici la température T. est toujours supérieure à celle du point Ms de l'acier, quelle que soit la température de fin de laminage.
La Fig. 2 montre l'évolution de la température Td et du pourcentage de transformation z en fonction de la température To dans le cas du procédé de l'invention mis en oeuvre dans les conditions indiquées plus haut.
Une température To de 820. C, par exemple, conduit d'une part à une température de dépose Td de 421*C et d'autre part à 75 % d'austénite transformée à la fin du refroidissement. Reportée sur la Fig. 1, courbe (b), cette température To de 820. C fournit une température T-de 311'C, qui est nettement supérieure au point Ms de cet acier.
Le fil produit conformément au procédé de l'invention présentait une structure et des propriétés remarquablement homogènes, en particulier une charge de rupture de 1200 MPa.
Un dispositif de fabrication de fil suivant le procédé de l'invention est représenté schématiquement dans la Fig. 3.
Ce dispositif est installé à la sortie d'un laminoir à fil, symbolisé par les cylindres finisseurs 1. Le dispositif représenté comprend deux rampes de refroidissement successives 2,3 équipées, de façon connue en soi, de moyens d'alimentation et d'évacuation de l'agent de refroidissement, non
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représentés.
Les rampes de refroidissement 2,3 sont essentiellement constituées par un tube, parcouru par l'agent de refroidissement choisi, et dans lequel le fil se déplace en ligne, c'est-à-dire en défilement à la vitesse de laminage.
Les rampes de refroidissement 2,3 comportent également des moyens, connus en soi et non représentés, pour régler le débit de l'agent de refroidissement et ainsi l'intensité de ce refroidissement. A la sortie de chaque rampe sont prévus des rouleaux entraîneurs 4,5 qui assurent la progression du fil.
Dans la première rampe de refroidissement, le fil circulant dans le tube 2 est refroidi à l'eau jusqu'à une température de surface qui doit rester supérieure au point Ms de l'acier, avec une densité moyenne de flux calorifique apte à abaisser la température du début de transformation à la valeur requise. Ensuite, le fil parcourt la seconde rampe de refroidissement 3 où il est refroidi à l'air avec une densité moyenne de flux calorifique déterminée, qui est suffisante pour neutraliser la recalescence sans faire apparaître de structures de trempe dans le fil.
Les valeurs des diverses températures dépendent en particulier de la composition des aciers utilisés. Les durées (T) et les intensités () des refroidissements sont comprises dans les valeurs indiquées plus haut.
Après la seconde rampe est installé un dispositif classique de reformation des bobines de fil, désigné globalement par le repère 6. Le trajet du fil est désigné par le repère 7.
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Method for manufacturing high-strength wire rod of hard steel and device for its implementation.
The present invention relates to a process for manufacturing high-strength wire rod from hard steel, that is to say steel whose carbon content is greater than 0.4%, and preferably greater than 0.6%. It also relates to a device for implementing this method.
Within the meaning of the present application, the high-strength wire rod has a breaking load greater than 1000 MPa, and preferably of the order of 1200 MPa.
High-strength wire rod is currently the subject of increased demand, particularly in the wire drawing sector. It follows that the desired increase in resistance, which involves hardening of the wire, must not compromise the aptitude of this wire for drawing, and that it is therefore necessary to guarantee that a structure favorable to this operation is obtained.
It is known that the structure most favorable to wire drawing is a fine perlite structure, the production of which requires compliance with two essential conditions. On the one hand, the temperature at the start of the allotropic transformation must be lowered. On the other hand, it is necessary to limit the
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recalescence of the wire, that is to say its heating under the effect of the heat of transformation.
The classic way to obtain this structure is lead patenting, which can be applied either after rolling at the producer, or later, in particular at the user before drawing. It is sometimes necessary to practice lead patenting at each of these two stages.
Patenting with lead is however an expensive process which requires numerous manipulations and imposes precautions which greatly limit the productivity of the installations.
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Numerous methods have already been proposed for manufacturing a wire rod which can be drawn without having to undergo lead patenting.
In this regard, mention may be made in particular of the process which is known from patent LU-A-85475 and which is at the origin of the present invention.
This process involves applying two-phase cooling to the wire immediately after it leaves the rolling mill. The first phase consists of rapid cooling of the line wire, to a surface temperature between Ms and (Ms + 200 * C), without there being any significant transformation of the austenite. The wire is then deposited in coils spread on a conveyor, where it is subjected to the second cooling phase in order to ensure the transformation of at least 95% of the austenite.
However, it appeared that this process did not always make it possible to obtain the properties targeted, under the normal operating conditions of current wire trains, in particular at the normal speed of these trains. On the one hand, it leads to a surface temperature below the Ms point at the end of the first phase. On the other hand, the irregularity of the cooling on the conveyor causes defects in homogeneity in the structure of the wire and therefore in its properties.
The object of the present invention is to provide a process for manufacturing high-strength hard wire rod, which does not have the aforementioned drawbacks, by means of an appropriate heat treatment of the wire as it leaves the rolling mill.
According to the invention, there is provided a process for manufacturing high-strength wire rod of hard steel, in which the wire is subjected to controlled cooling from its end of rolling temperature, characterized in that one lowers said end of rolling temperature to a value between 850.
C and the temperature A3 of said steel, in that the wire is cooled in line from said value of the end of rolling temperature to a surface temperature above the point Ms of said steel, in at least one operation ensuring the transformation of at least 75% of austenite into perlite in said wire, said cooling having a total duration of between 0.5 s and 5 s
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with an average heat flux density of between 1 MW / m2 and 5 MW / mZ, and in that the wire is wound in a coil for its final cooling to room temperature.
The heat flux density, expressed in MM / m, represents the quantity of heat extracted from the wire per unit of surface, during cooling. For a given body, for example a wire, it depends in particular on the temperature difference between the body to be cooled and the cooling agent; therefore, it can vary during the cooling of the wire. The value indicated in the present application is the average value of the heat flux density during cooling. This value also varies with the diameter of the wire. The above-mentioned ranges of variation of this value as well as of the cooling time correspond to the usual range of wire rod diameters, namely from 5.5 mm to 12 mm.
According to a particular implementation of the method of the invention, the wire rod is cooled on-line in two successive operations, which respectively ensure first of all the lowering of the temperature at the start of the allotropic transformation and then the neutralization of recalescence during this transformation.
In this variant, the first cooling operation is carried out, starting from the end of rolling temperature, for a period of 0.2 s to 2 s with an average density of heat flow between 1.5 MW / m2 and 5 MW / m, and the second cooling operation for a period of 0.3 s to 3 s with an average density of heat flow between 1 MW / m2 and 4 MM / m.
In principle, the cooling of the wire rod can be carried out by any conventional cooling agent, in particular water or air.
However, it has been found advantageous, within the framework of the process of the invention, to use a different cooling agent for each cooling operation.
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In the aforementioned particular variant, it is thus possible to use water for the first cooling operation, which corresponds to rapid cooling, and air for the second cooling operation, which is more moderate and lasts longer.
Still within the framework of this particular variant, it is possible to use pulsed air at low frequency for the second cooling operation.
After this cooling, the wire rod has a surface temperature higher than the Ms point of the steel, which excludes any formation of martensite. It also has an average temperature over the section such that at least 75% of the austenite is transformed into perlite, in a homogeneous manner.
After cooling as just described, the wire is wound in a coil, in a manner known per se, and it cools slowly in air to room temperature. This latter cooling has no other metallurgical effect than allowing the completion of the transformation of the austenite.
Another aspect of the present invention relates to a device for implementing the method which has just been described.
This device is installed at the outlet of the finishing stands of the wire rolling mill and in line with them.
It comprises at least one cooling ramp, with its devices for arriving and possibly discharging the cooling agent, as well as means for reforming the spools of wire.
The cooling ramp is advantageously split into two parts which follow one another in the extension of one another and which each have their own devices for the arrival and evacuation of the cooling agent.
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In order to clearly understand the object of the present invention, an example of implementation will now be described, with reference to the appended drawings in which FIG. 1 illustrates the evolution of the minimum surface temperature of the wire as a function of the temperature at the end of rolling; Fig. 2 shows the evolution of the deposition temperature on the one hand, and of the percentage of austenite transformed on the other hand, as a function of the temperature at the end of rolling; and Fig. 3 schematically represents a device with two cooling ramps, according to the invention.
The present example illustrates the manufacture of a wire of 11 mm diameter, made of steel containing 0.76% C and 0.29% Mn, which must have a breaking load of 1200 MPa. The wire is rolled at a speed of 33 m / s.
At the exit of the rolling mill, the wire underwent cooling in two operations, in successive ramps of respective lengths L-43 m and Ly = 57 m. The duration of the corresponding cooling operations was therefore Tl 1, 295 s and T2 = 1.717 s respectively.
These values are set by the operating conditions of the processing line. The operator therefore has only two independent variables left to adjust the process and obtain the desired result: the end of rolling temperature (To) and the average density of heat flow in the cooling ramps (01, 2). The values of these two variables must be chosen taking into account the following conditions: the minimum surface temperature of the wire at the outlet of the cooling ramp (Tm) must be as high as possible, and in any case higher than the temperature Ms of steel used;
- the wire removal temperature (Td)), that is to say the average temperature taken on the section of the wire at the outlet of the cooling ramp, must be as high as possible; - the percentage of austenite transformed into perlite (z) at the outlet of the cooling ramp must be as high as possible, preferably reaching at least 75%.
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Fig. 1 illustrates the evolution of the minimum surface temperature of the wire (Tm) as a function of the end of rolling temperature (To) in the following two cases: the curve (a) corresponds to a process where the cooling has been carried out in the water in a 43 m long ramp with an average density of heat flow 0-3, 78 MWIW. It can be seen that, at normal rolling speed and even for end-of-rolling temperatures (To) lower than in practice, the temperature Tm is lower than that of the point Ms of the steel.
the curve (b) corresponds to the process of the invention, where the cooling was carried out in two successive operations, respectively with water and
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in the air, in ramps of length Li = 43 m and L2 = 57 m and with average densities of heat flow 1 = 2.26 MW / m2 and 02 = 1.92 MW / m2. Here the temperature T. is always higher than that of the point Ms of the steel, whatever the end of rolling temperature.
Fig. 2 shows the evolution of the temperature Td and of the percentage of transformation z as a function of the temperature To in the case of the process of the invention implemented under the conditions indicated above.
A temperature To of 820. C, for example, leads on the one hand to a deposition temperature Td of 421 * C and on the other hand to 75% of austenite transformed at the end of the cooling. Reported in FIG. 1, curve (b), this temperature To of 820. C provides a temperature T-of 311 ° C, which is much higher than the point Ms of this steel.
The wire produced according to the process of the invention had a remarkably homogeneous structure and properties, in particular a breaking load of 1200 MPa.
A wire manufacturing device according to the method of the invention is shown schematically in FIG. 3.
This device is installed at the outlet of a wire rolling mill, symbolized by the finishing rolls 1. The device shown comprises two successive cooling ramps 2,3 equipped, in a manner known per se, with supply and discharge means coolant, no
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represented.
The cooling ramps 2,3 are essentially constituted by a tube, traversed by the chosen cooling agent, and in which the wire moves in line, that is to say in running at the rolling speed.
The cooling ramps 2,3 also include means, known per se and not shown, for adjusting the flow rate of the cooling agent and thus the intensity of this cooling. At the exit of each ramp are provided driving rollers 4,5 which ensure the progression of the wire.
In the first cooling ramp, the wire circulating in the tube 2 is cooled with water to a surface temperature which must remain above the point Ms of the steel, with an average density of heat flux capable of lowering the temperature at the start of transformation to the required value. Then, the wire travels through the second cooling ramp 3 where it is air-cooled with a determined average density of heat flow, which is sufficient to neutralize the recalescence without revealing quenching structures in the wire.
The values of the various temperatures depend in particular on the composition of the steels used. The cooling times (T) and intensities () are included in the values indicated above.
After the second ramp, a conventional device for reformation of the spools of wire is installed, generally designated by the reference 6. The path of the wire is designated by the reference 7.