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Cylindre de travail bimétallique pour le laminage à chaud de bandes d'acier.
La présente invention concerne un cylindre de travail bimétallique pour le laminage à chaud de bandes d'acier, destiné à équiper les cages finisseuses d'un train à bandes à chaud.
Les cylindres de travail bimétalliques sont bien connus dans la technique du laminage. On connaît en particulier des cylindres se composant d'un coeur et de tourillons en fonte à graphite sphéroïdal légèrement alliée, entouré d'une enveloppe en fonte ; ils sont habituellement coulés par centrifugation. Leur poids total est généralement compris entre 6 et 15 tonnes ; la table des cylindres, c'est-à-dire la partie de leur surface latérale opérant le laminage, présente en général un diamètre compris entre 630 et 850 mm et une longueur axiale comprise entre 1400 et 2400 mm.
Actuellement, les trains à larges bandes comportent généralement sept cages finisseuses, qui peuvent être numérotées de FI à F7 dans le sens de circulation des bandes laminées. Il va de soi que ce nombre n'est pas limitatif, et que les cages finisseuses pourraient être en nombre quelconque, par exemple de quatre à huit, sans affecter la portée de la présente invention.
Dans ces cages successives, les bandes subissent une réduction d'épaisseur en plusieurs étapes, qui s'accompagne d'une diminution progressive de leur température. Les conditions de déformation des bandes se modifient donc de cage en cage.
De ce fait, les cylindres de travail des cages finisseuses sont soumis, dans des conditions normales d'utilisation, à des sollicitations qui varient également de cage en cage et qui entraînent deux types principaux de détérioration.
Dans l'emprise de chaque cage, la vitesse de glissement de la bande contre les cylindres, qui varie le long de l'arc de contact entre la bande et chaque cylindre, provoque une usure de ces cylindres.
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Une usure trop rapide des cylindres de travail entraîne un démontage et un remplacement prématurés de ces cylindres, parce que les conditions de planéité et d'épaisseur des bandes ne sont plus respectées.
Egalement dans l'emprise de chaque cage, le contact de la bande chaude avec le cylindre entraîne l'échauffement et donc la dilatation d'une zone superficielle du cylindre, sur une épaisseur de quelques millimètres.
Cette dilatation est cependant contrariée par les couches internes du cylindre, qui ne sont pas atteintes par l'échauffement superficiel et qui restent dès lors à la température moyenne du cylindre. Cette zone superficielle est alors le siège de contraintes de compression, qui peuvent dépasser la limite d'élasticité en compression du matériau constitutif de l'enveloppe du cylindre et provoquer une certaine plastification de la zone superficielle. La limite d'élasticité précitée est dépassée d'autant plus aisément que l'échauffement superficiel du cylindre est plus important.
Immédiatement après avoir quitté le contact avec la bande, le cylindre est soumis à un refroidissement énergique, qui provoque la contraction de la zone superficielle et l'apparition de contraintes de traction.
Celles-ci peuvent dépasser la charge de rupture en traction du matériau constitutif de l'enveloppe, en particulier si ce dernier est une fonte, d'autant plus rapidement que la plastification en compression aura été plus importante. Ces contraintes de traction peuvent provoquer l'apparition de fissures, dont la profondeur dépend de la conductibilité thermique et surtout des propriétés mécaniques du matériau constitutif de l'enveloppe.
Les fissures à chaud sont à l'origine du phénomène de"banding", bien connu de l'homme du métier, qu'il suffira de rappeler brièvement. Des particules de calamine provenant de la bande s'incrustent dans les fissures et, lorsqu'elles se détachent au cours du laminage, entraînent avec elles des particules du cylindre. Celles-ci s'incrustent à leur tour dans la surface de la bande où elles forment des défauts inacceptables.
Le phénomène de fissuration à chaud, conduisant aux incrustations mentionnées, est particulièrement marqué dans les cages d'amont du train
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finisseur, par exemple de FI à F4, en raison de la température élevée de la bande dans ces cages.
Les cylindres de travail des trains finisseurs doivent encore résister à divers incidents de marche tels que les collages, les surpressions locales ou les calages.
Un collage est une adhésion locale de la bande au cylindre, provoquée par les pressions de laminage élevées et les fortes réductions d'épaisseur pratiquées actuellement. Il entraîne une détérioration de la bande et du cylindre et il peut causer de graves incidents de laminage. Il peut être évité par la présence d'une couche d'oxyde à la surface du cylindre.
Une surpression locale lors du contact de la bande avec le cylindre peut entraîner dans celui-ci soit un marquage, c'est-à-dire un défoncement plastique superficiel qui imposera son remplacement, soit une fissure plongeante qui conduit généralement à un écaillage et à la mise au rebut du cylindre.
Un calage est un arrêt du laminage avec une bande en prise dans les cylindres. Dans ce cas, il se produit localement un échauffement superficiel sensible des cylindres avec, après écartement des cylindres, apparition d'un réseau local de fissures par le processus déjà indiqué plus haut.
Toutes les sollicitations précitées sont présentes, à des degrés divers, dans toutes les cages finisseuses telles que FI à F7. En particulier, le risque de fissuration à chaud est plus grand dans les cages amont (FIF4), tandis que l'usure se manifeste davantage dans les cages aval (F5F7).
La solution classique consiste à utiliser des cylindres de travail différents dans les cages amont et dans les cages aval. A cet égard, il faut comprendre que les cylindres comportent des enveloppes différentes, tandis que les coeurs peuvent être constitués d'une même fonte.
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Les cages amont sont généralement équipées de cylindres en fonte à haute teneur en chrome, présentant une matrice martensitique riche en chrome et une teneur élevée en carbures de type M7Cg. Grâce à leurs propriétés mécaniques élevées, tant en traction qu'en compression, elles résistent bien à la fissuration à chaud ainsi qu'à certains incidents de laminage.
Leur teneur en chrome limite cependant la formation de la couche d'oxyde requise pour éviter les collages.
Les cages aval comportent des cylindres en fonte à trempe indéfinie, présentant une matrice martensitique, qui contiennent une quantité importante de carbures eutectiques du type MgC et une faible quantité de graphite libre dans la structure. La charge de rupture en traction de ces fontes est médiocre ; leur résistance à la fissuration à chaud est dès lors faible. En revanche, la résistance à l'usure est élevée, grâce à la présence des carbures eutectiques ; du plus, la matrice métallique de ces fontes est peu inoxydable et elle permet donc la création rapide d'une couche d'oxyde d'épaisseur suffisante.
Cette solution classique, caractérisée par l'utilisation de cylindres différents dans les cages amont et les cages aval, entraîne différents inconvénients économiques, en particulier la nécessité de constituer des stocks de plusieurs types de cylindres pour un même train finisseur.
La présente invention a pour objet de proposer un cylindre de travail bimétallique, destiné à équiper les cages finisseuses d'un train à bandes à chaud, qui remédie à l'inconvénient précité du fait qu'il peut être utilisé aussi bien dans les cages amont (FI-F4) que dans les cages aval (F5-F7) du train finisseur.
Ce cylindre bimétallique se compose d'un coeur, avec des tourillons, en fonte à graphite sphéroïdal, connu en soi, entouré d'une enveloppe en acier.
L'invention porte précisément sur l'acier utilisé pour constituer l'enveloppe du cylindre bimétallique proposé.
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Conformément à l'invention, un cylindre de travail bimétallique pour le laminage à chaud de bandes d'acier, qui comporte un coeur en fonte à graphite sphéroïdal, est caractérisé en ce que ledit coeur est entouré d'une enveloppe en acier présentant la composition pondérale suivante :
EMI5.1
<tb>
<tb> Carbone <SEP> : <SEP> 1-3%
<tb> Silicium <SEP> : <SEP> max. <SEP> 2 <SEP> %
<tb> Nickel <SEP> : <SEP> max. <SEP> 3 <SEP> %
<tb> Manganèse <SEP> : <SEP> max. <SEP> 3 <SEP> %
<tb> Chrome <SEP> : <SEP> 4 <SEP> - <SEP> 15 <SEP> %
<tb> Molybdène <SEP> : <SEP> max. <SEP> 10 <SEP> %,
<tb>
le solde étant constitué par du fer et des impuretés inévitables.
Suivant une variante particulière préférentielle, l'acier de ladite enveloppe présente la composition pondérale suivante :
EMI5.2
<tb>
<tb> Carbone <SEP> : <SEP> 1, <SEP> 2-2, <SEP> 4 <SEP> %
<tb> Silicium <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 5-1, <SEP> 5 <SEP> %
<tb> Nickel <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 5-2, <SEP> 0%
<tb> Manganèse <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 5-2, <SEP> 0 <SEP> %
<tb> Chrome <SEP> : <SEP> 5-12%
<tb> Molybdène <SEP> : <SEP> max. <SEP> 10 <SEP> %,
<tb>
le solde étant constitué par du fer et des impuretés inévitables.
L'acier peut également contenir un ou plusieurs des éléments suivants, dans les proportions pondérales indiquées :
EMI5.3
- Tungstène : max. 15 %, et de préférence max. 10 % - Vanadium : max. 5 %, et de préférence max. 3 % - Niobium : max. 10 %, et de préférence max. 5 %.
L'acier précité peut se rattacher à la classe des aciers à outils pour travail à chaud. Il présente cependant, par rapport aux aciers à outils connus, différentes particularités, notamment dans sa composition.
Le carbone (1-3 %) permet simultanément d'obtenir la dureté requise de la matrice métallique et d'assurer la formation des carbures conférant une bonne résistance à l'usure.
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Le silicium, le nickel et le manganèse provoquent une augmentation de la dureté et donc de la résistance à l'usure.
Le chrome augmente la trempabilité de la matrice et forme des carbures participant à la résistance à l'usure.
Le vanadium et le niobium forment des carbures de type MC, très durs ; ils améliorent de ce fait la résistance à l'usure, en particulier à haute température.
Le tungstène et le molybdène forment également des carbures et contribuent à la résistance à l'usure, -également à haute température.
Le cylindre bimétallique de l'invention est réalisé par la méthode conventionnelle de coulée par centrifugation. Il est ensuite soumis à un traitement thermique comprenant un chauffage d'austénitisation et une trempe.
Ce traitement thermique présente également des différences importantes par rapport au traitement appliqué conventionnellement aux aciers à outils.
Pour ces derniers, l'austénitisation est opérée par chauffage à 1200- 1300*C, puis la trempe est effectuée à grande vitesse, c'est-à-dire en quelques minutes, pour obtenir la dureté requise. Ce traitement est aisément applicable dans le cas de petites pièces comme des outils de coupe ou des poinçons d'emboutissage.
Dans le cas de cylindres de travail bimétalliques d'un poids de 6 à 15 tonnes, il convient d'utiliser un traitement thermique adapté à la massivité et au caractère bimétallique des pièces.
Les cylindres de travail bimétalliques de l'invention, présentant la composition pondérale indiquée plus haut, sont soumis à un traitement thermique comprenant : - un chauffage à une température comprise entre 900. C et 11S0. C, pour assurer l'austénitisation de l'enveloppe sans provoquer la fusion du
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coeur en fonte à graphite sphéroïdal ; - une trempe, dans l'air calme, dans l'huile ou au brouillard d'eau, jusqu'à une température inférieure à 450. C ; - au moins un revenu à une température comprise entre 450. C et 650 C.
Dans ces conditions de composition et de traitement thermique, l'enveloppe d'un cylindre de travail bimétallique présente les caractéristiques suivantes : - une structure martensitique contenant moins de 5 % d'austénite rési- duelle, celle-ci étant mesurée au sigmamètre sur échantillons ; - une dureté Vickers comprise entre 600 et 800 HV ; - une charge de rupture en traction supérieure à 700 MPa ; - une charge de rupture en compression supérieure à 2500 MPa ; - une ductilité en compression exprimée par une déformation plastique supérieure à 10 % ; - une teneur en carbures inférieure à 30 % ; - une oxydabilité superficielle garantissant la formation d'une couche d'oxyde suffisante pour éviter le collage.