Les cylindres de laminoir sont des composants consommables essentiels qui supportent directement la force de laminage et le couple transmis. Comparés aux autres composants du laminoir, les cylindres fonctionnent dans des conditions plus difficiles et présentent des modes de défaillance plus complexes. Un choix inapproprié des cylindres peut avoir un impact direct sur la stabilité de la production, la durée de vie des cylindres et la qualité du produit.
Cet article analyse les principes de sélection des matériaux pour les cylindres de laminage, les matériaux couramment utilisés, les applications typiques dans différentes usines et les principaux modes de défaillance, d’un point de vue ingénierie.
Principes fondamentaux de la sélection des matériaux pour les rouleaux
Il n’existe pas de matériau de cylindre universel adapté à toutes les conditions de laminage. Le choix du matériau doit être basé sur les conditions d’utilisation réelles.
Les facteurs clés comprennent le niveau de force de laminage, la température de fonctionnement, la vitesse de laminage et les charges d’impact. Les différents types de laminoirs et les positions des cages de laminage imposent des exigences très différentes en matière de résistance des cylindres, de résistance à l’usure et de performances thermiques.
Les défaillances des rouleaux, telles que la fracture, l’écaillage de surface, l’usure excessive et la fissuration thermique, résultent souvent d’une inadéquation entre les propriétés des matériaux et les conditions de service. Par conséquent, il est essentiel de comprendre les modes de défaillance typiques pour choisir les matériaux de manière judicieuse.
Les progrès réalisés dans la fabrication des rouleaux, les traitements thermiques, le moulage de matériaux composites, les manchons de rouleaux et les technologies de réparation de surface ont également élargi le champ d’application pratique de nombreux matériaux utilisés pour les rouleaux.
Matériaux couramment utilisés pour les rouleaux et leurs caractéristiques techniques
Les cylindres en acier forgé offrent une grande résistance et d’excellentes propriétés mécaniques globales. Ils conviennent parfaitement aux applications soumises à des forces de laminage et des charges d’impact importantes, telles que les laminoirs de dégrossissage, les cages de laminage et les cylindres de soutien. Leurs principaux inconvénients sont leur coût plus élevé et des exigences de fabrication plus strictes.
Les cylindres en acier moulé offrent une résistance relativement élevée et permettent des procédés de fabrication plus flexibles. Grâce aux améliorations des technologies de sidérurgie et de refusion, leur qualité et leur fiabilité n’ont cessé de progresser, ce qui en fait des alternatives viables aux cylindres forgés dans de nombreuses applications.
Les cylindres en fonte et en fonte ductile se caractérisent par une dureté élevée et une bonne résistance à l’usure, permettant d’obtenir une excellente finition de surface à un coût relativement faible. Les cylindres en fonte ductile, en particulier, allient une résistance accrue à de bonnes performances en matière de résistance à l’usure et sont largement utilisés dans les laminoirs intermédiaires et de finition des petites et moyennes aciéries.
Les cylindres en fonte à haute teneur en chrome et en acier rapide offrent une excellente résistance à l’usure et des performances améliorées à haute température. Ils sont de plus en plus utilisés dans les laminoirs à bandes à chaud, les laminoirs à profilés et les laminoirs à fil machine à grande vitesse.
Les rouleaux en carbure de tungstène, généralement utilisés sous forme d’anneaux, présentent une résistance à l’usure extrêmement élevée et une déformation élastique minimale. Ils sont particulièrement adaptés aux laminoirs de finition de haute précision et aux applications de laminage à grande vitesse.
Sélection typique des matériaux des cylindres en fonction du type de laminoir et de la position du support.
Pour les laminoirs de dégrossissage, les laminoirs à billettes, les laminoirs à tôles fortes et les cages de laminage de dégrossissage des laminoirs à profilés de grande dimension, les cylindres doivent principalement satisfaire aux exigences de résistance mécanique et de résistance à la rupture en raison des fortes réductions de section et des charges d’impact élevées. Des cylindres en acier forgé ou en acier moulé à haute résistance sont couramment utilisés.
Dans les laminoirs intermédiaires et de finition des petites et moyennes usines, la dureté et la résistance à l’usure des cylindres deviennent cruciales pour garantir la précision dimensionnelle, la qualité de surface et réduire la fréquence des changements de cylindres. Les cylindres en fonte et en fonte ductile sont largement utilisés.
Dans les laminoirs à fil machine, les cages de dégrossissage doivent concilier résistance à la fissuration thermique et résistance à l’usure, tandis que les cages intermédiaires et de finition adoptent de plus en plus des bagues de laminage en acier rapide ou en carbure pour obtenir une durée de vie plus longue et un laminage stable.
Dans les laminoirs à chaud, les cylindres de travail sont sélectionnés principalement en fonction de leur dureté de surface et de leur résistance à l’usure, tandis que les cylindres de soutien privilégient la résistance mécanique et la trempabilité en raison de leur rôle principal qui est de résister aux charges de flexion.
Les laminoirs à froid imposent des exigences extrêmement élevées en matière de qualité de surface, de dureté et de résistance des cylindres de travail. Les cylindres en acier allié à haute résistance et les cylindres composites sont couramment utilisés. Malgré les exigences élevées en matière de dureté, les cylindres en fonte ne conviennent pas au laminage à froid en raison de leur module d’élasticité inférieur.
Relation entre la dureté des rouleaux et les conditions d’application
La dureté est un paramètre essentiel dans le choix des rouleaux, mais elle est souvent mal comprise. Une dureté plus élevée améliore généralement la résistance à l’usure et la qualité de surface, mais une dureté excessive peut réduire la résistance à la rupture, en particulier sous l’effet de forces de laminage importantes ou de chocs.
Une dureté optimale doit être choisie en fonction du type de laminoir, de l’étape de laminage et des caractéristiques du matériau afin d’obtenir un équilibre entre la résistance à l’usure et la sécurité opérationnelle.
Importance technique du facteur de sécurité au roulement
Du point de vue de la sécurité structurelle, les cylindres de laminoir fonctionnent généralement avec des coefficients de sécurité relativement faibles par rapport à d’autres composants. En raison de la difficulté de déterminer avec précision les charges dynamiques réelles pendant le laminage, les calculs de résistance statique sont couramment utilisés dans la pratique de l’ingénierie.
L’expérience de production a montré qu’un facteur de sécurité d’environ 5 est une valeur d’ingénierie raisonnable pour les cylindres de laminoir en général, permettant d’obtenir des niveaux de contrainte acceptables tout en minimisant le risque de rupture catastrophique des cylindres.
Modes de défaillance typiques des roulements et leurs causes
La rupture des cylindres est l’un des accidents les plus graves dans les laminoirs. Ces défaillances peuvent généralement être attribuées à des défauts de matériaux ou de fabrication, ou à des charges d’exploitation excessives.
Les modes de défaillance courants comprennent la rupture du corps central du cylindre, la rupture du fond des rainures dans les cylindres rainurés, la rupture du col du cylindre, la rupture par torsion des cols de cylindre et la rupture de l’extrémité du cylindre. La concentration des contraintes, les défauts internes, la surcharge de la force ou du couple de laminage, les variations rapides de température et les vibrations de torsion dans le système d’entraînement sont des facteurs contributifs fréquents.
La plupart des défaillances des rouleaux peuvent être efficacement évitées grâce à une sélection appropriée des matériaux, une conception structurelle adéquate et un contrôle rigoureux du processus de fabrication.
