1.4) Les différentes technologies de refroidissements

Afin de respecter les cycles de température des aciers, diverses technologies de refroidissement peuvent être mises en place : le refroidissement au contact de rouleaux refroidis, le refroidissement indirect par rayonnement, le refroidissement par pulvérisation d’eau, le trempage et le refroidissement par jets de gaz impactants. Ce dernier moyen est très largement utilisé car il possède de multiples avantages pour ce type d’applications. Les jets impactants permettent d’intensifier les échanges thermiques, soit en chauffage (préchauffage de la bande d’acier) soit en refroidissement (traitement thermique, trempe, refroidissement après la galvanisation). Leur intensité est facilement contrôlable en ajustant la puissance des ventilateurs. De plus, ils permettent un refroidissement sans contact avec la bande ce qui est primordial afin de préserver sa qualité de surface. Dans les différentes sections de refroidissement par jets, le soufflage est susceptible de faire osciller la bande de façon très intense, ce qui peut engendrer des défauts sur le produit. L’objectif de ce travail de recherche est d’étudier ce phénomène pour pouvoir s’en affranchir. Les différentes sections de soufflage peuvent selon les cas être munies de réseaux de jets axisymétriques (« Array of Round Nozzles » ou ARN) ou d’une multitude de jets plans (« Array of Slot Nozzles » ou ASN). Dans le cadre de cette étude, nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux réseaux de jets axisymétriques bien que des phénomènes d’instabilités aéroélastiques apparaissent également lors de refroidissements par jets plans.

Les paramètres gouvernants les transferts thermiques convectifs par jets impactants sont : - la distance de soufflage relative (h/D)

- la densité du maillage relative (L/D)

- la géométrie du maillage (maille carrée / maille hexagonale)

Bloc en S Bloc en S Zinc Rouleaux stabilisateurs Tour de refroidissement Top rolls

- la vitesse de soufflage (U)

- la nature du gaz et sa température

Plusieurs types de technologies peuvent être distingués selon les différents stades du process et selon le procédé de refroidissement (sous atmosphère contrôlée ou à l’air).

II.1.4.a) Refroidissement sous atmosphère contrôlée

Dans un four sous atmosphère contrôlée, le refroidissement par jets de gaz se fait en circuit fermé comme on peut le voir sur la Fig. 4. Le mélange gazeux froid est soufflé sur la bande à travers une série de buses puis est récupéré après l’impact. Le gaz qui est alors réchauffé est ensuite refroidi au passage d’un échangeur gaz-eau puis renvoyé vers les buses. Un ventilateur centrifuge assure la circulation de tout le gaz sous atmosphère. Sa pression doit être en mesure de compenser la perte de charge de tout le circuit (pertes de charge des buses, pertes de charge dans les conduites, pertes de charge de l’échangeur…). En fonction des pentes de refroidissement imposées par le cahier des charges métallurgique, la vitesse des jets doit être plus ou moins importante.

Fig. 4 Section de refroidissement rapide (Rapid Cooling de la ligne de CORUS IJMUDEN) Image FIVE STEIN

II.1.4.a.1) Refroidissement lent

Les sections de refroidissement lent constituent habituellement les premières zones de refroidissement du process, lorsque la bande possède sa température maximale. La pente de refroidissement doit rester relativement faible. En ordre de grandeur la température de bande peut par exemple être diminuée de 800°C à 600°C. Ainsi, compte tenu de la haute température

Bande Sens d’avancement de la bande Arrivées de gaz refroidissant Rouleaux Gaines de refroidissement par jets impactants

de la bande, un soufflage de faible intensité de gaz légèrement chaud est suffisant (vitesse de jets de 30m.s^-1 au maximum à une température de l’ordre de 150°C) ce qui nécessite une faible puissance de ventilateur (de l’ordre 200 KW). Dans ces sections, les problèmes de déformation de bande sont plutôt liés à des phénomènes thermomécaniques provenant du contact entre les bandes chaudes et les rouleaux froids.

II.1.4.a.2) Refroidissement rapide

Pour obtenir certains types d’acier, un refroidissement très rapide est nécessaire. Il faut par exemple les refroidir de 800°C à 400°C avec une pente moyenne supérieure à 100°C/s. Pour ce type de sections, les paramètres géométriques ont été optimisés dans le but d’augmenter le refroidissement. Ainsi la distance buse-bande est faible et les vitesses des jets sont sans cesse augmentées. Ce type de soufflage peut aller jusqu’à nécessiter deux ventilateurs d’une puissance de l’ordre de 2MW chacun. Quelquefois, lorsque le soufflage est trop puissant, un flottement de bande est observé. Dans cette configuration, afin d’éviter une rupture de bande par contact avec les caissons, ou des rayures sur la bande, la ligne est ralentie. Il n’y a pour l’instant pas d’autre moyen d’empêcher ce flottement ni d’anticiper son apparition de façon précise.

L’utilisation de hautes teneurs en hydrogène permet d’augmenter le coefficient d’échange par convection. En effet l’hydrogène, quatorze fois moins dense que l’azote, est aussi sept fois plus conducteur thermique. Cette dernière propriété permet d’augmenter les transferts thermiques par conduction à la paroi, sa faible densité permet quant à elle de réduire les pertes de charge et ainsi la puissance du ventilateur. Du point de vue du refroidissement, l’utilisation de hautes teneurs en hydrogène est donc très bénéfique. Elle l’est également au niveau de la stabilité de bande. En effet la faible densité de l’hydrogène par rapport à l’azote implique une plus faible pression dynamique pour une vitesse de soufflage équivalente et par conséquent des efforts aérodynamiques diminués.

II.1.4.b) Refroidissement à l’air

Une fois la bande galvanisée, le dépôt de zinc qui l’enveloppe la rend inoxydable. Ainsi les sections de refroidissement qui suivent cette étape utilisent de l’air en guise de gaz refroidissant, ce qui permet l’utilisation de technologies plus simples. C’est dans ce type de section que l’on observe le plus facilement les instabilités aéroélastiques de la bande. Ces sections se présentent sous forme de hautes tours munies de jets impactants qui refroidissent la bande juste après son passage dans un bain de zinc liquide une fois que celui-ci est figé sur sa surface. Le schéma de l’une de ces tours est présenté sur la Fig. 5. Comme on peut le voir, elles sont toujours constituées d’un brin montant et d’un brin descendant. La bande subit un essorage au début du brin montant : des couteaux d’air expulsés de fines fentes permettent d’enlever le surplus de zinc liquide sur l’acier et de n’en laisser qu’une fine couche d’épaisseur contrôlée. Le refroidissement doit ensuite être fait de façon légère pour ne pas détériorer le revêtement de zinc fraichement solidifié. Dans le brin descendant, le refroidissement devient intensif pour réduire la hauteur de la tour. La température de la bande en haut de la tour se situe entre 250°C et 300°C et diminue jusqu’à environ 150°C en sortant du brin descendant.

Fig. 5 Schéma d’une tour de refroidissement après galvanisation

Le flottement de bande est particulièrement préjudiciable dans cette section. Compte tenu de la hauteur libre de la bande, des mouvements d’oscillation de très grande amplitude ont pu y être observés. Si la bande entre en contact avec le caisson de soufflage le revêtement est détérioré. Des vibrations générées sur la bande par le soufflage peuvent aussi perturber la qualité de l’essorage. Cette section est particulièrement propice à l’observation des phénomènes aéroélastiques qui siègent sur une bande d’acier soumis aux jets impactants, c’est pourquoi cette étude s’y est focalisée. On peut voir le détail d’une gaine de soufflage de ce type de tour sur la Fig. 6.

Brin montant Brin descendant Sens de déroulement Bande Rouleaux stabilisateurs

Fig. 6 Détail d’une gaine de soufflage d’une tour de refroidissement

(APC CORUS IJMUDEN) Image FIVES STEIN

Afin de mieux comprendre les phénomènes qui viennent d’être évoqués, le paragraphe suivant définit plus explicitement la notion d’instabilité aéroélastique.

II.2) Introduction aux instabilités aéroélastiques