Metallic Foam Formation During Continuous Hot-Dip Galvanizing of Steel Sheet

Depuis la révolution industrielle, le revêtement de l'acier par le zinc a été utilisé pour améliorer la durabilité et la performance des structures. Les revêtements de zinc fournissent un moyen économique de protection de l'acier contre la corrosion. Cette protection pourrait économiser d'un pays industrialisé au moins 4% du PIB à chaque année. La fabrication de structures utilisant de l'acier zingué ou galvanisé est caractérisée par un ensemble unique de propriétés: haute résistance, formabilité, poids léger, résistance à la corrosion, l'esthétique, recyclablilité et faible coût. L'acier galvanisé est utilisé pour la fabrication des appareils ménagers et dans des structures industrielles, domestiques et décoratives. Toutefois, l'application la plus importante en valeur commerciale est l'acier galvanisé en formes de tôles destiné pour la fabrication de carrosseries d'automobiles. Les tôles avec ce revêtement sont produites dans un processus complexe métallurgique de galvanisation en continu. Deux différentes couches sont produites commercialement. Ce qui distingue les revêtements est la composition du bain et le traitement thermique subséquent. Le produit galvanneal (GA) utilise un bain contenant 0.11 à 0.14 % Al et subit un traitement thermique à la sortie du bain. Le produit galvanisé (GI) utilise un bain contenant 0.16 à 0.20 % Al et ne subit pas un traitement thermique. Les rouleaux d'acier de différentes largeurs et épaisseurs sont déroulés et ensuite revêtus en continu par l'immersion rapide dans un bain d'alliage de zinc liquide à une température entre 450 °C et 480 °C. Une des préoccupations majeures affectant le processus de revêtement est la perte de zinc liquide en forme d'écumes. Les écumes sont des mousses métalliques qui sont produites dans la région où la tôle d'acier sort de la cuve de galvanisation. La formation des écumes est due aux conditions d'écoulement turbulent et à l'atmosphère oxydante dans cette région. Ce produit, appelé «skimmings» est écumé de la surface du bain et traité ultérieur pour récupérer le zinc. La présente porte sur l'étude du mécanisme de formation des skimmings et sur sa caractérisation. Le travail fait partie d'un projet parrainé par l'International Lead and Zinc Research Organization (ILZRO) intitulé ZCO-55: «Minimisation of skimmings formation in the galvanizing bath». L'objectif général de ce projet consiste d'étudier l'interaction de l'air provenant des couteaux d'essuyage (air knives) et le zinc qui est retourné vers le bain le long de la bande émergent. Deux compagnies ont accepté de participer à cette étude; ArcelorMittal Cleveland et U.S.Steel Hamilton. Ces deux aciéries ont contribué des échantillons de skimmings provenant de leurs opérations de galvanisation afin d'étudier leur taux de production d'écume et leur morphologie. Par ailleurs, seulement ArcelorMittal a fourni des feuilles de données des paramètres d'opération. Ces données ont été enregistrées pendant la période d'Octobre 2008 à Mars 2009. Les donnés ont été étudiés et traités afin de déterminer les paramètres du procédé qui avaient le plus grand effet sur la production de skimmings. Aussi, deux différentes expériences en laboratoire ont été réalisées pour simuler la formation des écumes dans le bain de zinc liquide en utilisant un creuset fermé rempli de zinc liquide, un agitateur en acier et un jet de gaz. Les résultats ont montré que le taux de formation des écumes augmente avec la vitesse de rotation de l'agitateur. Aussi, les alliages GI exposés au jet d'air produisent plus d'écumes par unité de temps que les alliages GA exposés au jet d'azote. Finalement, le taux de formation des écumes a diminué quand le creuset était couvert. Les résultats des deux cas ont été comparés pour illustrer les différences entre un creuset ouvert en utilisant un jet d'air. Une deuxième expérience a été réalisées pour simuler le transfert de mass des constituants dans le zinc liquide et l'air sur la surface du bain de galvanisation en se servant d'un jet d'air submergé dans un creuset rempli de zinc liquide. Les coefficients de transfert de mass de l'aluminium et du fer dans une solution liquide de zinc ont été évalué et ils se comparent favorablement avec la littérature. Caractérisations des écumes Des particules intermétalliques peuvent aussi se former dans le bain pendant la galvanisation en continu. Ces particules sont également connues comme «dross». Le dross est composé des intermétalliques Al-Fe contenant du Zn (top dross) ou des intermétalliques Fe-Zn avec de l'Al (bottom dross). L'origine de ces particules est du à la réaction de fer dans la solution lors de l'immersion des tôles d'acier qui réagissent avec le zinc et l'aluminium selon leur solubilité. Il se forme une première couche intermétallique de Fe2Al5 à la surface de l'acier. Cette couche est très adhérente sur laquelle se fait le dépôt de l'alliage du bain. Des particules de dross continuent à précipiter dans le bain pendant le fonctionnement normal de la ligne de galvanisation. Top dross, Fe2Al5Znx (phase η), est principalement formé au cours de l'opération GI. Ces particules flottent à la surface du bain, car les particules sont moins denses que la solution de zinc. Bottom dross, FeZn10Aly (phase δ), est principalement formée dans l'opération GA. Ces particules se déposent au fond du bain, car ils sont plus denses que la solution de zinc. Cependant, il est aussi possible que les particules de phase η et δ coexistent lors des opérations de GI. La galvanisation en continue est rarement, sinon jamais, un processus à l'équilibre. Les fluctuations constantes de la température, de la teneur en aluminium et de fer dans différentes régions du bain empêchent la solution d'atteindre l'équilibre chimique. Néanmoins, les diagrammes de phase du système Zn-Fe-Al ont été développées afin de mieux comprendre les conditions thermodynamiques dans lesquelles se forment le top dross et le bottom dross. Pour un bain de galvanisation à l'équilibre chimique à 460 °C, la phase η, δ et le liquide coexistent à la composition d'aluminium d'environ 0,135 % en poids. En dessous de cette concentration d'aluminium, la phase δ précipite de la solution. La phase η précipite dans la solution lorsque le bain est au-dessus de 0,135 % Al en poids. Les skimmings sont écumés de manière manuelle ou par méthode robotisée. En général, les skimmings constituent d'un mélange poreux de zinc liquide du bain, des oxydes et des particules de dross. Cependant, il est clair que la plupart des oxydes sont produites par le jet d'air des couteaux essuyages lorsque le gaz d'essuyage est de l'air. Le gaz d'essuyage et le flux de zinc qui retourne au bain repousse les skimmings vers les bords du bain. Les analyses statistiques provenant de l'industrie ont montré que la pression d'essuyage, l'hauteur des couteaux d'essuyages, la vitesse et la largeur de la tôle d'acier ont tous un impact sur le taux de formation des skimmings. Par conséquent, la dynamique des fluides du zinc liquide dans la région de sortie de la tôle a une importance critique dans la compréhension du mécanisme de l'interaction air-zinc, qui est à l'origine de la formation des skimmings. L'oxydation du liquide dans le bain de galvanisation en continu est contrôlé par le transfert des constituants liquides vers l'interface gazeux. Par conséquent, il est raisonnable de supposer que l'oxydation de l'alliage de zinc liquide ne produira pas un mélange d'équilibre de scories complexes de O, Zn, Fe et Al. Donc, ce travail suppose que la formation d'oxydes est le résultat des réactions chimiques suivantes: 〖Zn〗_((l))+1⁄2 O_(2_((g)) )→ZnO_((s)) 2〖Al〗_((l))+3⁄2 O_(2_((g)) )→〖Al〗_2 O_(3_((s)) ) 2〖Fe〗_((l))+3⁄2 O_(2_((g)) )→〖Fe〗_2 O_(3_((s)) ) Les expériences en laboratoire de bullage de l'air dans le bain liquide ont simulé ces réactions à l'interface gaz-liquide. Il existe une littérature considérable sur le comportement et la réaction de bulles de gaz dans les liquides à température ambiante. Cependant, la littérature sur la réaction de bulles de gaz dans les métaux liquides à haute température est très limitée. Les difficultés de l'expérimentation à haute température empêchent également le progrès concernant l'interaction entre la bulle de gaz et le métal liquide. D'importance particulière est l'estimation de la taille des bulles générées par un tube submergé avec un débit de gaz contrôlées pour la détermination expérimentale des coefficients de transfert de masse pour les interactions entre les bulles et le métal liquide. Certains chercheurs ont montré que le comportement de bulles de gaz dans les métaux liquides est semblable à celui des bulles dans les liquides à basse température sous certaines conditions. Analyse des données industrielles et les résultats des essais en laboratoires Le chapitre 3 est un document qui a été publié dans les comptes rendues du congrès de la Galvanizers Association Meeting (2009) tenue en Louisville, KY,USA. La publication présente une caractérisation des écumes produites par deux différentes lignes de galvanisations (ArcelorMittal Cleveland et U.S.Steel Canada). La ligne d'ArcelorMittal Cleveland utilise de l'air ou de l'azote comme gaz d'essuyage alors que la ligne d'U.S.Steel Canada utilise l'azote exclusivement. Le résultat de cette étude identifie les paramètres opérationnels qui on la plus grande influence sur la génération des skimmings. L'approche détaillée de l'analyse statistique utilisée dans cette étude est présenté dans l'Annexe 1. Les montants de skimmings générés par la ligne d'ArcelorMittal Cleveland pour des opérations galvanneal et galvanisé ont été examinés. L'analyse montre que le bain de GI produit plus de skimmings que le bain GA. En fait, le bain de GI produit 38% plus de skimmings par unité de temps au cours de la même période que le bain de GA. En plus, les microstructures illustrant les caractéristiques physiques et la composition des constituants des skimmings, déterminé par spectroscopie X à dispersion d'énergie, a aussi été présentée. Le chapitre 4 est un document qui a été présenté à la 8th International Conference on Zinc and Zinc Alloy Coated Steel Sheet (Galvatech 2011) qui s'est tenue à Gênes en Italie. Cet article présente les résultats des essais en laboratoire simulant les conditions industrielles de la formation des skimmings. Les expériences consistent de l'agitation d'environ 20 kg de zinc fondu avec un agitateur en acier dans un creuset fermée ou ouvert. Au même temps, un jet d'azote ou d'air a été dirigé sur la surface liquide du bain. L'agitateur et le jet pourraient, respectivement, simuler la tôle mobile et les couteaux d'essuyages trouvés dans l'industrie. Ces expériences peuvent, simuler la région de sortie de la tôle dans un bain de galvanisation industrielle. Néanmoins, les tendances observées au chapitre 3 ont démontré que la génération d'écume dans des conditions laboratoire représente bien les conditions industrielles. À vitesse de rotation faible, les deux solutions GA et GI génèrent des quantités similaires de skimmings par unité de temps. D'autre part, la solution GI produit 51 % plus de skimmings par unité de temps à une vitesse de rotation moyenne et 143 % plus de skimmings par unité de temps à une vitesse de rotation élevée. La constatation de l'effet de la composition du bain et le degré d'agitation sur le taux de génération de skimmings n'a pas été documentée dans la littérature, et par conséquence représente une contribution originale d'importance pour l'industrie. Les résultats montrent que deux facteurs contribuent à la stabilisation de la structure de la mousse d'écume produite dans un bain de GI: la présence de top dross et d'oxyde d'aluminium en raison de niveaux élevés d'aluminium dans le liquide. Enfin, au chapitre 5, les données de skimmings industrielles fourni par ArcelorMittal Cleveland ont été revues et une nouvelle série d'expériences à échelle de laboratoire a également été menée. Les résultats des chapitres 3 et 4 ont montré une façon dont la génération de skimmings peut être quantifiée de manière fiable dans un bain de galvanisation. L'analyse du chapitre 5 a démontré que les skimmings produites par unité de surface de rouleau sont plus cohérentes. Par ailleurs, le transfert de masse entre l'air et le zinc liquide a été étudié aussi. La méthodologie utilisée pour calculer les propriétés des bulles de gaz est indiqué dans l'Annexe 2. Au chapitre 4, la période durant laquelle la ligne de galvanisation en continu d'ArcelorMittal opérait avec de l'azote et de l'air a été examiné et réanalysé au chapitre 5. Les valeurs calculées des skimmings par unité de surface par temps de séjour de tôle (chapitre 4) demontrent une dispersion beaucoup plus large au fil du temps que les valeurs calculées pour les skimmings par unité de surface de tôle (chapitre 5). Par exemple, au chapitre 4, le taux de production moyen était de 44,3 ± 25,0 g/m2/hr pour l'essuyage avec l'azote et 103 ± 83,9 g/m2/hr pour essuyage avec l'air. Alors qu'au chapitre 5, le taux de production moyen des skimmings était 11.2 ± 4,15 g/m2 pour l'essuyage avec de l'azote et 18,6 ± 9,37 g/m2 pour l'essuyage avec de l'air pour la même période. En d'autres termes, 11,2 g/m2 ± 37% versus 44,3 g/m2/hr ± 56% pour l'essuyage avec de l'azote et 18,6 g/m2 ± 50% versus 103 ± 81% g/m2/hr pour l'essuyage avec de l'air. En ce qui concerne le reste des données industrielles, la masse de skimmings produite par unité de surface de rouleau représente mieux la formation spécifique de skimmings d'un processus de galvanisation par rapport aux skimmings générés par rouleau par temps de séjour de tôle. Au chapitre 5, il a été montré que l'utilisation de l'air pour essuyer les tôles d'aciers produit plus de skimmings qu'en essuyant avec de l'azote. Les mêmes résultats ont été obtenus expérimentalement dans le chapitre 4. Lorsque les données industrielles pour l'essuyage avec de l'air et de l'azote sont comparé avec des compositions de bain, des vitesses de ligne et des pressions d'essuyage similaires, la ligne de galvanisation en continu d'ArcelorMittal Cleveland produit 9,6% de plus de skimmings par surface de rouleau lorsque l'air a été utilisé. De plus, il a été constaté que la pression d'essuyage était le paramètre dominant qui influençait le montant de skimmings produites par unité de surface de rouleau. En ce qui concerne les données expérimentales, il a été constaté que l'utilisation d'un jet d'air produit 10,5 fois de plus de skimmings par unité de temps par rapport à un jet d'azote. Cela peut potentiellement être expliqué par l'effet stabilisant des films d'oxyde sur la structure mousseux des skimmings. En outre, le taux de génération des skimmings à augmenté avec la vitesse de rotation de l'agitateur et, par conséquent, la surface libre du liquide. Les coefficients de transfert de masse du côté liquide pour le transport d'aluminium et de fer ont été évalués dans le chapitre 5. Ces valeurs ont été du même ordre de grandeur que ceux trouvés dans des manuels qui traitent le sujet de transfert de mass entre métal liquide et gaz [30], [31], [32], [33]. Comme le montre le chapitre 1, le skimmings analysés par Thiounn et al. [23] avaient une morphologie similaire par rapport au skimmings industriels examinés dans le chapitre 3. Les deux échantillons industriels contiennent des particules de dross, des oxydes et des porosités. Toutefois, Thiounn et al. n'ont pas fait distinction de la composition variable des éléments chimiques dans leurs échantillons de skimmings. Au chapitre 3, nous avons analysé les échantillons polis des skimmings industriels pour leurs distributions élémentaires en utilisant la spectroscopie X à dispersion d'énergie. Cette technique fournit une évaluation de la composition chimique de zones analysées. La série d'images identifie clairement les particules cristallines de Fe2Al5Znx et de FeZn10Aly ainsi que les films d'oxyde. Par conséquent, cette technique c'est montré efficace pour identifier les différentes particules intermétalliques présentes dans un bain de galvanisation. Les skimmings produites au laboratoire ont montré des caractéristiques similaires aux skimmings produites dans l'industrie. Les résultats expérimentaux avaient aussi du top et bottom dross, des porosités ainsi que des oxydes de zinc, de l'aluminium et du fer. Par ailleurs, les résultats de laboratoire ont aussi montré des enveloppes d'oxyde clairement définis qui entourent des volumes de zinc liquide. Les skimmings industrielles ne montrent pas des quantités appréciables d'enveloppes d'oxyde. On trouve des films dégénérés qui s'accumulant le long des murs du bain. Les échantillons de laboratoire ont été recueillis sur une courte période de temps. Par conséquent, l'enveloppe d'oxyde dans les échantillons de laboratoire n'a pas eu assez de temps à se transformer. La technique utilisée pour analyser la composition chimique globale des skimmings produites au laboratoire était la spectrophotométrie d'absorption atomique. Du fait que l'aluminium et le fer sont présents dans de telles petites quantités, la précision de la technique peut être imprécise. La teneur en aluminium et en fer des skimmings produites variaient respectivement entre 0,14% à 0,34% en poids et 0,04% à 0,194% en poids. Alors que ceux analysés par Thiounn et al. avaient des niveaux d'aluminium entre 0,4% et 1% en poids et les niveaux de fer entre 0,02% en poids et 1% en poids. Conclusions Une analyse statistique des données fournis par ArcelorMittal Cleveland HDGL conduit aux conclusions suivantes: Deux paramètres opérationnels qui influencent le montant de skimmings produites dans le procédé de la galvanisation en continu ont été identifiés: (1) la pression de l'air dans le distributeur des couteaux d'essuyage et (2) la vitesse de la ligne. La pression d'essuyage a un effet plus important que la vitesse de ligne sur le montant de skimmings produites par unité de surface de tôle traitée. 2. Le type de gaz utilisé pour le système d'essuyage a une influence importante sur la quantité de skimmings produit par unité de surface de rouleau. Essuyant avec de l'air produit plus de skimmings qu'avec de l'azote. 3. L'opération de galvanisation (GI) produit plus de skimmings que l'opération de galvannealing (GA) illustrant l'effet de la composition du bain sur la génération d'écume. Une étude de la morphologie et de la composition des échantillons fournis par l'écumage industriels d'ArcelorMittal Cleveland et U.S.Steel Hamilton conduit à la conclusion suivante: 4. La spectroscopie X à dispersion d'énergie s'est avéré à être une méthode très efficace pour identifier la composition et la répartition des éléments dans les échantillons de skimmings. Les skimmings consistent un mélange très poreux et hétérogène d'une ou de deux différentes particules intermétalliques de Fe2Al5Znx et FeZn10Aly et une agglomération de films d'oxyde de zinc, d'aluminium et de fer dans une matrice de zinc liquide. Les expériences à l'échelle laboratoire pour simuler la formation de skimmings dans la région de la sortie de la tôle du bain de galvanisation ont donné des résultats importants: 5. L'analyse d'image des échantillons montrent que les skimmings produit à l'échelle laboratoire sont similaires aux échantillons prises sur des lignes de galvanisation à ArcelorMittal Cleveland et d'U.S.Steel Hamilton. Les échantillons consistaient de mélanges hétérogènes de solution de bain, des particules de top et bottom dross et des films d'oxyde de zinc, d'aluminium et de fer. 6. Les expériences ont montré que la production d'écume augmente avec l'agitation du bain. Les alliages GI ont également produit plus de skimmings que les alliages GA. Il y a plus de skimmings formé lorsqu'un jet d'air est utilisé par rapport à un jet d'azote. Le placement d'un couvercle sur le creuset contribue à réduire la quantité de skimmings formées. Cela est particulièrement évident quand on compare les deux cas d'un creuset couvert sous un jet d'azote et un creuset ouvert sous un jet d'air. Une deuxième série d'expériences à l'échelle laboratoire a été menée pour déterminer le transfert de fer et de l'aluminium dans le zinc et l'atmosphère ambiante près de la région de sortie de tôle d'acier du bain de galvanisation. Cela a été accompli par le bullage de l'air dans un creuset chargé avec l'alliage de zinc liquide: 7. Cette méthode a été utilisée pour évaluer les coefficients de transfert de masse de l'aluminium et de fer produit dans le zinc liquide sur la surface de réaction. Les résultats se comparent favorablement avec ceux trouvés dans la littérature. Il a été démontré que les corrélations obtenues pour calculer des flux de bulles dans l'eau peuvent être aussi appliqués aux métaux liquides.

Abstract

This study examined skimmings formation in the continuous hot-dip galvanizing process. Skimmings are metallic foam that is produced near the strip exit region of the galvanizing bath due to the high degree of mixing and oxidative conditions in this area. Industrial operating data from ArcelorMittal Cleveland's HDGL was examined and it was found that the production of skimmings per coil surface area increased with wiping pressure and line speed but more so with the former. Moreover, galvanizing (GI) baths were found to produce more skimmings per unit time than galvannealing bath (GA) and air wiping produced significantly more skimmings than nitrogen wiping. Dispersive X-ray mapping was found to be a reliable technique for identifying the elemental distribution and morphology of skimmings samples from the galvanizing lines of ArcelorMittal Cleveland and U.S. Steel Hamilton. Two different bench scale experiments were conducted as well. The first attempted to simulate skimmings formation in a galvanizing bath using a shrouded crucible loaded with liquid zinc, a steel impeller for agitation and an impinging jet of gas. The results showed that the rate of skimmings generation increased with impeller rpm. Also, GI alloys and air jetting produced more skimmings per unit time than GA alloys and nitrogen jetting. Finally, shrouding the crucible had an inhibiting effect on skimmings formation especially when comparing the two cases of a shrouded crucible under a nitrogen jet and an open crucible under an air jet. The second experiment attempted to simulate the mass transfer between liquid zinc and air in a galvanizing operation by top submerging a jet of air into a crucible loaded with liquid zinc. The liquid side mass transfer coefficients for aluminum and iron in liquid zinc were evaluated and compared favourably with the literature. Therefore, the assumption that the correlations for bubble flow in water can be applied to liquid metals was satisfactory.