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aciéries Réunies de Burbach-Eich-Dudelange, Sté Ame, Luxembourg.
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bzz¯ Cylindre de laminoir creux en acier, à résistance élevée.
Le procédé courant de moulage des cylindres de laminoir fournit des pièces dont la résistance et la durée de service sont insuffisantes par rapport aux masses d'acier mises en jeu dans ces cylindres. Le procédé fournit en outre un rendement très incertain, à la suite de formation de retassures, de tapu- res internes ou externes, qui souvent ne se révèlent qu'après u- sinage complet du cylindre.
Ces défauts occasionnent un déchet important dont la cause originale est à rechercher dans les conditions désavanta- geuses suivant lesquelles s'opère la solidification de l'acier coulé.
Pour les cylindres de grandeur moyenne le volume d'acier liquide à employer varie de 2 à 3 m3; à l'état non dégrossi, ces cylindres présentent un diamètre pouvant dépasser 1.300 mm. La surface de refroidissement est donc faible comparativement au volume d'acier liquide à solidifier et la profondeur de solidifi- cation à réaliser.
, Comme en outre la matière du moule est mauvaise conduc- trice de la chaleur, la solidification complète des cylindres
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pleins, coulés en sable, ne peut s'opérer que très lentement.
Cette lenteur de solidification présente plusieurs inconvénients :
1) Elle provoque la cristallisation grossière et par suite la fragilité de l'acier coulé. Cette fragilité, il est vrai, peut être atténuée par un recuit de régénération suivi d'un refroi- dissement à l'air.. Mais comme l'échauffement d'un cylindre plein ainsi que son refroidissement à l'air ne s'accomplissent que lentement, l'amélioration des qualités mécaniques reste bien en dessous de celle qu'on réalise par le traitement thermique d'un acier de composition identique, mais coulé en épaisseur plus faible.
II) La solidification lente produit des dislocations internes dans la masse du cylindre.
Si la première couche d'acier solide se forme rapidement la vitesse de solidification diminue à mesure que le saole du -moule s'échauffe.
La température de la masse liquide interne aura le temps de s'uniformiser et atteindra son point de solidification un peu simultanément dans tous les points, A ce moment les cristaux solides naîtront un peu partout dans le noyau liquide, se dé- veloppent en ramifications dentritiques et provoquent ainsi l'empâtement de la masse. Chaque formation de cristal est accom- pagnée d'un retrait élémentaire dont l'effet d'ensemble se mani- feste par l'abaissement du niveau du métal liquide tant que l'em- pâtement n'est pas trop avancé.
Mais si la masse devient plus épaisse, le tassement du noyau central pourra se faire par plu- sieurs tranches qui se soudent imparfaitement, Il se forme. ainsi, dans le corps du cylindre, des fissures transversales, (voir Fig.1,2,3) produisant un tel affaiblissement du cylindre qu'elles peuvent provoquer la rupture dès les premières passes de laminage.
La fréquence de ces accidents a ébranlé la confiance des
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lamineurs dans le cylindre en acier coulé. On lui. préfère de beaucoup le cylindre forgé dont le mode de fabrication présen- te plus de garanties contre la présence de ces défauts internes.
Mais il faut remarquer que les caractéristiques mécaniques des cylindres forgés sont à peine meilleures que celles des cylin- dres coulés, parce que le corroyage est faible, et parce que l'usinage de la table enlève précisément les couches de métal qui ont subi le pétrissage le plus intense.
III) La solidification lente des cylindres pleins coulés en sa- ble, neutralise l'effet de la masselotte, à moins qu'on ne don- ne à celle-ci des dimensions sortant des limites,économiques. On risque donc de laisser subsister la retassure sur une certaine longueur du cylindre parachevé.
IV) La lenteur de solidification et de refroidissement du métal coulé en moule de sable favorise la* naissance de fissures trans- ver'sales externes si la surface d'appui vient à se dérober à la base du cylindre par suite du retrait de l'acier ou du tassement de la partie inférieure du moule, V) La solidification lente de l'énorme masse d'acier favorise une ségrégation intense, nuisible à la résistance mécanique de l'acier et à l'efficacité du traitement thermique.
Les figures ci-jointes indiquent la marche du refroidis- sement et les phénomènes qui s'y manifestent. Le'métal du bord du cylindre est complètement solidifié "a" ;le noyau central "b" encore liquide approche la température de solidification. Des cristaux naissent dans le sein de la masse, donnant lieu à un re-' trait de solidification élémentaire. Les petites poches de retas- sement local "c" sont figurées dans la fig. 1.
Ces poches de retassement sont comblées dès leur forma- tion par l'afflux du liquide mère restant. Cet effet se traduit par un abaissement du niveau supérieur liquide.
Si la solidification:.progresse d'une façon continue de bas en haut, de façon que la masse liquide forme une seule nappe,
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. le retassement se fera par couches successives et donnera lieu à la formation d'une poche de retassement unique "d", dont le volume indique le retrait total de la masse solidifiée. (fig.2).
Mais généralement la solidification progresse irréguliè- rement aux différentes hauteurs du cylindre coulé; en certains endroits l'empâtement est plus avancé, de façon qu'il s'oppose à un affaissement régulier. Le tassement se fait alors par bran- ches indépendantes qui laissent subsister des discontinuités transversales "e" (fig,3).
Tous ces inconvénients se laissent éviter, si au lieu de cylindres pleins, on coule des cylindres évidés, dont l'é- paisseur de paroi est adaptée au travail de laminage à supporter.
Théoriquement, cet évidement entraîne une diminution du moment d'inertie et partant de la résistance à la flexion du cy- lindre. Pour un cylindre évidé sur la demie-longueur de son dia- mètre, la diminution du moment d'inertie sera de 6,36 pour une diminution de la masse du cylindre de 25%,
Pratiquement, cette diminution de la section utile sera largement compensée par l'augmentation de la résistance mécanique de l'acier, coulé dans des conditions telles, que sa solidifica- tion se fasse plus rapidement.
Il en résulte les avantages suivants: 1) La solidification plus rapide de l'acier donnera un grain plus fin et partant plus tenace ; parois d'épaisseur modérée permettent d'exécuter un recuit et un traitement thermique effi- cace.
2) La suppression du noyau d'acier central empêche la formation de défauts cachés internes ; le noyau du moule de sable con- tribuera au refroidissement, le métal de la paroi interne sera aussi sain que celui de l'extérieur.
3) L'augmentation de la surface refroidissante et la diminution de la masse d'acier assurent la solidification de l'acier du cy- lindre avant la solidification de l'acier de la masselotte.
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@n faisant croi'tre l'épaisseur de la paroi de bas en haut, on arrivera à nourrir convenablement le corps du cylindre sans em- ployer des moyens de chauffage artificiels pour conserver à l'é- tat liquide l'acier de la masselotte, et sans avoir à constituer des masselottes de dimensions exagérées.
4) Le refroidissement bilatéral des parois constitue rapidement des parois suffisamment résistantes pour supporter les efforts de contraction, pouvant provoquer les fissures transversales ex- ternes dans le cas de cylindres pleins. Il permettra de couler des cylindres calibrés,pour lesquels les efforts de contraction sont particulièrement intenses durant le refroidissement du mé-' tal coulé en moule.
' 5) La solidification rapide ramène la ségrégation des impuretés de l'acier dans les,limites modérées.
6) La possibilité d'un traitement thermique efficace permettra l'emploi d'aciers à alliage pouvant donner des résistances inusi- tées jusqu'à, présent pour les cylindres de laminoir.
7) L'évidement central entraîne une économie de matière qui com- pensera l'augmentation de la main-d'oeuvre,résultant de la con- fection du noyau.
8) L'accroissement de la résistance et la diminution du poids des cylindres permettra d'accroître la vitesse et la capacité de production des trains de laminoir.
9') L'évidement central permettra d'éviter réchauffement anormal du cylindre en service, de réduire les tensions dues à la dila- tation d'échauffement et d'augmenter la durée de service du cy- lindre .
Résumé.
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Reunited steelworks of Burbach-Eich-Dudelange, Sté Ame, Luxembourg.
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bzz¯ High strength hollow steel rolling mill roll.
The current method of molding rolling mill rolls provides parts whose strength and service life are insufficient in relation to the masses of steel involved in these rolls. The process further provides a very uncertain yield, due to the formation of indentations, internal or external taps, which often do not become apparent until after the cylinder has been completely upturned.
These defects cause significant waste, the original cause of which is to be found in the disadvantageous conditions under which the solidification of the cast steel takes place.
For medium-sized cylinders the volume of liquid steel to be used varies from 2 to 3 m3; in the uncoated state, these cylinders have a diameter which may exceed 1,300 mm. The cooling surface is therefore small compared to the volume of liquid steel to be solidified and the depth of solidification to be achieved.
, As the mold material is also a poor conductor of heat, the complete solidification of the cylinders
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full, cast in sand, can only take place very slowly.
This slow solidification has several drawbacks:
1) It causes coarse crystallization and consequently the brittleness of the cast steel. This fragility, it is true, can be attenuated by a regeneration annealing followed by cooling in air. But since the heating of a full cylinder as well as its cooling in air are not accomplished. that slowly, the improvement in mechanical qualities remains well below that achieved by the heat treatment of a steel of identical composition, but cast in a lower thickness.
II) Slow solidification produces internal dislocations in the mass of the cylinder.
If the first solid steel layer forms rapidly the rate of solidification decreases as the mold vault heats up.
The temperature of the internal liquid mass will have time to become uniform and will reach its solidification point a little simultaneously in all the points, At this moment the solid crystals will be born everywhere in the liquid nucleus, develop in dentritic ramifications and thus cause impasto in the mass. Each crystal formation is accompanied by an elementary shrinkage, the overall effect of which is manifested by the lowering of the level of the liquid metal as long as the accumulation is not too advanced.
But if the mass becomes thicker, the compaction of the central core can be done by several slices which are imperfectly welded. It is formed. thus, in the body of the cylinder, transverse cracks (see Fig. 1,2,3) producing such weakening of the cylinder that they can cause rupture from the first rolling passes.
The frequency of these accidents has shaken the confidence of
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laminators in the cast steel cylinder. We him. much prefers the forged cylinder, the manufacturing method of which offers more guarantees against the presence of these internal defects.
But it should be noted that the mechanical characteristics of forged rolls are hardly better than those of cast rolls, because the wrought is low, and because the machining of the table precisely removes the layers of metal which have undergone kneading. the most intense.
III) The slow solidification of the solid cylinders cast in sand neutralizes the effect of the weight, unless it is given dimensions beyond the limits, economic. There is therefore a risk of leaving the shrinkage on a certain length of the finished cylinder.
IV) The slowness in solidification and cooling of the metal cast in a sand mold favors the formation of external transverse cracks if the bearing surface becomes hidden from the base of the cylinder as a result of the shrinkage of the cylinder. steel or the settlement of the lower part of the mold, V) The slow solidification of the enormous mass of steel promotes intense segregation, detrimental to the mechanical strength of the steel and the efficiency of the heat treatment.
The attached figures show the process of cooling and the phenomena which occur there. The metal on the edge of the cylinder is completely solidified "a"; the still liquid central core "b" approaches solidification temperature. Crystals are born within the mass, giving rise to elemental solidification withdrawal. The small local shrinkage pockets "c" are shown in fig. 1.
These settling pockets are filled as soon as they form by the influx of the remaining mother liquid. This effect results in a lowering of the upper liquid level.
If the solidification:. Progresses continuously from bottom to top, so that the liquid mass forms a single sheet,
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. the shrinkage will take place in successive layers and will give rise to the formation of a single shrinkage pocket "d", the volume of which indicates the total shrinkage of the solidified mass. (fig. 2).
But generally the solidification progresses irregularly at the different heights of the cast cylinder; in some places the impasto is more advanced, so that it opposes a regular sagging. Compaction then takes place by independent branches which leave transverse discontinuities "e" (fig, 3).
All these drawbacks can be avoided if, instead of full rolls, hollow rolls are cast, the wall thickness of which is suitable for the rolling work to be supported.
Theoretically, this recess leads to a reduction in the moment of inertia and hence in the bending resistance of the cylinder. For a cylinder hollowed out over half the length of its diameter, the decrease in the moment of inertia will be 6.36 for a decrease in the mass of the cylinder by 25%,
In practice, this reduction in the useful section will be largely offset by the increase in the mechanical strength of the steel, cast under conditions such that its solidification takes place more quickly.
This results in the following advantages: 1) The faster solidification of the steel will give a finer grain and hence more tenacity; moderate wall thickness enables efficient annealing and heat treatment.
2) The removal of the central steel core prevents the formation of internal hidden defects; the core of the sand mold will help cool, the metal on the inside wall will be as healthy as the outside.
3) The increase in the cooling surface and the decrease in the mass of steel ensure the solidification of the steel of the cylinder before the solidification of the steel of the weight.
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By increasing the thickness of the wall from bottom to top, it will be possible to properly feed the body of the cylinder without employing artificial heating means to keep the steel of the weight in the liquid state. , and without having to constitute exaggerated dimensions weights.
4) The bilateral cooling of the walls quickly constitutes walls sufficiently resistant to withstand the contraction forces, which can cause external transverse cracks in the case of full cylinders. It will allow the casting of calibrated cylinders, for which the contraction forces are particularly intense during the cooling of the metal cast in a mold.
5) The rapid solidification brings the segregation of impurities from the steel to moderate limits.
6) The possibility of an efficient heat treatment will allow the use of alloy steels which can give strengths hitherto unusual for rolling mill rolls.
7) The central recess results in a saving of material which will compensate for the increase in labor, resulting from the con- nection of the core.
8) Increasing the strength and decreasing the weight of the rolls will increase the speed and production capacity of the rolling mill trains.
9 ') The central recess will make it possible to avoid abnormal heating of the cylinder in service, to reduce the tensions due to the heating expansion and to increase the service life of the cylinder.
Summary.
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