EP0025394B1 - Cylindre composite de compactage - Google Patents

Cylindre composite de compactage Download PDF

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EP0025394B1
EP0025394B1 EP80401261A EP80401261A EP0025394B1 EP 0025394 B1 EP0025394 B1 EP 0025394B1 EP 80401261 A EP80401261 A EP 80401261A EP 80401261 A EP80401261 A EP 80401261A EP 0025394 B1 EP0025394 B1 EP 0025394B1
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EP
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shaft
composite
case
cylinder
mounting
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Inventor
Jean-Claude Werquin
Jean Quichon
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USINOR SA
Original Assignee
Union Siderurgique du Nord et de lEst de France SA USINOR
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21BROLLING OF METAL
    • B21B27/00Rolls, roll alloys or roll fabrication; Lubricating, cooling or heating rolls while in use
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30PRESSES
    • B30BPRESSES IN GENERAL
    • B30B11/00Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses
    • B30B11/16Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses using pocketed rollers, e.g. two co-operating pocketed rollers
    • B30B11/165Roll constructions
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21BROLLING OF METAL
    • B21B2267/00Roll parameters
    • B21B2267/10Roughness of roll surface

Definitions

  • the present invention relates to cylinders used in particular in compacting machines or similar applications.
  • the cells provided at the periphery of the cylinders have an essential role in the quality and regularity of compaction. Their excessive wear leads to a poor distribution of pressures and parasitic sliding which results in mechanical vibrations detrimental to the good behavior of the bearings. It is therefore essential that these cells have good strength and therefore that the cylinder tables themselves have excellent resistance.
  • these cylinders are produced in composite form and consist of a shaft and a hooped ring.
  • Such a design is economical because it allows the replacement of the only worn part, that is to say of the hoop, the shaft being able on the other hand to be reused indefinitely.
  • the hooping leads to the tangential tensile stress of the ring being put so that notches can form from the cracks of thermal origin and lead to the breakage of the hoop.
  • the subject of the invention is therefore a composite cylinder for compacting, comprising a shaft and an envelope, itself composite, hooped on this shaft, said envelope comprising a first external layer of a first material A and a second internal layer d 'a second material B, the materials of these two layers being metallurgically bonded together, prior to shrinking, characterized in that e the second material B has a coefficient of linear expansion greater than that of the material A so as to place the material A in compression preload prior to hooping, the value of this compression preload being at least equal to the tensile stress generated during hooping of the composite casing on the shaft.
  • the structure of the envelope previously defined makes it possible to solve the problems of tangential tensile stress which appear during hooping and lead to notches which are formed from the cracks of thermal origin generated on the external surface of the hoop.
  • the compression preload of the material A constituting the outer layer of the envelope makes it possible to compensate and beyond the tensile stress which will be generated during hooping of the composite envelope on the shaft and thus cancel the tendency to notch.
  • material B a nodular cast iron comprising from 3 to 3.4% of carbon or steel of type XC 40 to XC 70 normalized tempered.
  • FIG. single diagrammatically represents a cylinder according to the invention.
  • a composite cylinder comprising a central shaft 1 on which is wrapped an envelope 2 itself constituted by two layers 3, 4 of materials A and B.
  • the layer 3 may have a thickness greater than 25 mm, the layer 4 a thickness greater than 35 mm, the thickness of the entire envelope is preferably between 60 and 150 mm.
  • the coefficients of expansion of the materials A are between 11.7 and 12.7 10 -6 mm / mm ° C.
  • the choice of carbon content determines the quantity of carbide present in the structure of material A and is therefore conditioned by the intensity of the abrasion mechanisms involved when the cylinder is used.
  • the choice of chromium content is conditioned by the intensity of the corrosion mechanisms and by the adaptation of the expansion coefficients of the two metals.
  • the coefficient of expansion decreases when the chromium content increases.
  • the maximum chromium content is therefore limited by the appearance of residual austenite which has the double disadvantage of reducing the resistance to wear and increasing the coefficient of expansion.
  • the maximum value of the chromium content also depends on the carbon content. The latter is limited to 3.5 so as to avoid hypereutectic structures which have greater fragility.
  • the coefficients of expansion of the materials B are then between 13.5 and 14.2 10 -6 mm / mm ° C, significantly higher than those of materials A.
  • this bimetallic envelope is put in compression preload and the pairs of materials A and B are chosen so that the value of this compression preload is at least equal to the tensile stress generated in the envelope during hooping on the shaft 1. This tensile stress is thus canceled so that the strength of material constituting the outer layer is significantly improved.
  • this material a metal composition relatively rich in carbide which provides a particularly high resistance to abrasion, the chromium content being moreover sufficient to guarantee an excellent resistance with respect to the constraints of thermal origin.

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Description

  • La présente invention concerne les cylindres utilisés notamment dans des machines à compacter ou applications analogues.
  • On sait que de telles machines utilisent comme outils essentiels deux cylindres situés en vis à vis et dont la table de travail est couverte d'alvéoles dont la forme et la répartition sont déterminées en fonction de la nature du produit à compacter. Dans de telles machines, on part d'un produit brut en poudre ou formé d'un mélange du poudres de granulométrie variable que l'on presse entre les deux cylindres de façon à obtenir à la sortie une plaque qui se brise facilement en morceaux et que l'on peut granuler. Cette technique s'applique notamment à des engrais, des minerais enrichis, de la poudre de fer préréduite, etc....
  • Les alvéoles prévus à la périphérie des cylindres ont un rôle essentiel dans la qualité et la régularité du compactage. Leur usure excessive conduit à une mauvaise répartition des pressions et à des glissements parasités qui ont pour conséquence des vibrations mécaniques préjudiciables à la bonne tenue des paliers. Il est donc essentiel que ces alvéoles aient une bonne tenue et par conséquent que les tables des cylindres aient elles-mêmes une excellente résistance.
  • Ces conditions de travail sont parfois aggravées par le fait que les produits à compacter sont portés à haute température ce qui provoque des phénomènes de fatigue thermique se traduisant par un réseau de fissuration couvrant toute la surface de travail du cylindre.
  • Or, ces cylindres sont réalisés sous forme composite et constitués d'un arbre et d'un anneau frettés. Une telle conception est économique car elle permet le remplacement de la seule partie usée, c'est à dire de la frette, l'arbre pouvant par contre être réutilisé indéfiniment. Cependant, le frettage conduit à la mise sous contrainte de traction tangentielle de l'anneau de sorte que des entailles peuvent se former à partir des fissures d'origine thermique et aboutir au bris de la frette.
  • Ainsi l'article de la revue lron and Steel Engineer, volume 54, n° 9, Septembre 1977, Y. Sekimoto: "Composite sleeved rolls reduce cost and improve productivity in H-beam mills", pages 64-69, décrit l'utilisation pour des cylindres composites pour laminoires à poutrelles, d'une enveloppe composite frettée sur un arbre, l'enveloppe composite étant constitutée de deux matériaux formant respectivement la couche extérieure et la couche intérieure, liés métallurgiquement entre eux. Aucune indication plus précise n'est cependant fournie quant à la nature des divers matériaux constituant l'enveloppe frettée.
  • Lors de la fabrication de cylindres pour compactage, on doit également tenir compte d'un autre facteur qui est celui de la résistance à l'abrasion et de la résistance aux chocs. Pour résister à l'abrasion, il est souhaitable que la phase carbure soit abondante ce qui va cependant à l'encontre des objectifs recherchés dans le frettage.
  • Il y a donc une difficulté et le but de cette invention est de réaliser un cylindre pour machine à compacter ou applications analogues qui offre des caractéristiques de tenue et de résistance très sensiblement améliorées par rapport aux cylindres connus.
  • L'invention a donc pour objet un cylindre composite pour le compactage, comprenant un arbre et une enveloppe, elle-même composite, frettée sur cet arbre, ladite enveloppe comprenant une première couche externe d'un premier matériau A et une deuxième couche interne d'un second matériau B, les matériaux de ces deux couches étant liés métallurgiquement entre eux, préalablement au frettage, caractérise en ce qu'e le second matériau B possède un coefficient de dilatation linéaire supérieur à celui du matériau A de façon à placer le matériau A en précontrainte de compression préalablement au frettage, la valeur de cette précontrainte de compression étant au moins égale à la contrainte de traction engendrée lors du frettage de l'enveloppe composite sur l'arbre.
  • La structure de l'enveloppe précédemment définie permet de résoudre les problèmes de contrainte de traction tangentielle qui apparaissent lors du frettage et conduisent à des entailles qui se forment à partir des fissures d'origine thermique engendrées sur la surface extérieure de la frette. En effet, la mise en précontrainte de compression du matériau A constituant la couche externe de l'enveloppe permet de compenser et au-delà la contrainte de traction qui sera engendrée lors du frettage de l'enveloppe composite sur l'arbre et ainsi d'annuler la tendance à la formation d'entailles.
  • Cette structure particulière due au choix des coefficients de dilatation linéaire respectifs des matériaux A et B constitue l'aspect essentiel de la présente invention qui n'est nullement suggéré dans la technique antérieure.
  • Pour le matériau A on utilisera:
    • a-des fontes à haute, teneur en chrome et en carbone comportant par exemple de 2 à 3,5% de carbone et de 12 à 25% de chrome, ou bien;
    • b-des aciers à haute teneur en chrome comprenant par exemple de 0,2 à 1,5% de carbone et de 3 à 14% de chrome.
  • Par contre, on pourra utiliser pour le matériau B une fonte nodulaire comprenant de 3 à 3,4% de carbone ou de l'acier de type XC 40 à XC 70 normalisé revenu.
  • L'invention va être décrite plus en détail ci-dessous en se référant au dessin annexé donné à titre d'exemple et dont la Fig. unique représente de façon schématique un cylindre suivant l'invention.
  • On voit sur cette Fig. un cylindre composite comprenant un arbre central 1 sur lequel est frettée une enveloppe 2 elle-même constituée par deux couches 3, 4 de matériaux A et B. La couche 3 peut avoir une épaisseur supérieure à 25 mm, la couche 4 une épaisseur supérieure à 35 mm, l'epaisseur de l'ensemble de l'enveloppe étant de préférence comprise entre 60 et 150 mm.
  • Cette enveloppe est de préférence réalisée par centrifugation. La couche externe du matériau A, qui assure les fonctions de résistance à l'usure et de résistance à la fatigue thermique et comporte des alvéoles 5, est choisie de façon à répondre au mieux à cette fonction. C'est ainsi que l'on utilise de préférence pour le matériau A:
    • a-une fonte à haute teneur en chrome et en carbone ayant la composition suivante:
      Figure imgb0001
    • b-ou bien un acier à haute teneur en chrome ayant la composition suivante:
      Figure imgb0002
  • Les coefficients de dilatation des matériaux A sont compris entre 11,7 et 12,7 10-6 mm/mm°C. Le choix de la teneur en carbone détermine la quantité de carbure présente dans la structure du matériau A et est donc conditionné par l'intensité des mécanismes d'abrasion mis en jeu lors de l'utilisation du cylindre. Par ailleurs, le choix de la teneur en chrome est conditionné par l'intensité des mécanismes de corrosion et par l'adaptation des coefficients de dilatation des deux métaux. D'une façon générale le coefficient de dilatation diminue quand la teneur en chrome augmente. La teneur maximale en chrome est donc limitée par l'apparition de l'austénit résiduelle qui présente le double inconvénient de diminuer la résistance à l'usure et d'augmenter le coefficient de dilatation. La valeur maximale de la teneur en chrome dépend également de la teneur en carbone. Cette dernière est limitée à 3,5 de façon à éviter les structures hypereutectiques qui présentent une plus grande fragilité.
  • Le matériau B de la couche interne est lié métallurgiquement au matériau A et présente un coefficient de dilatation linéaire supérieur à celui du matériau A. Ce matériau possède essentiellement des propriétés d'élasticité et de résilience et peut être constitué de préférence par:
    • a-de la fonte nodulaire type GS. 70.2 ayant la composition suivante:
      Figure imgb0003
    • b-ou bien un acier de type XC 40 à XC 70 normalisé revenu.
  • Les coefficients de dilatation des matériaux B sont alors compris entre 13,5 et 14,2 10-6 mm/mm°C, soit sensiblement supérieurs à ceux des matériaux A.
  • Lors de la fabrication de cette enveloppe bimétallique, la couche externe est mise en précontrainte de compression et les couples de matériaux A et B sont choisis de façon que la valeur de cette précontrainte de compression soit au moins égale à la contrainte de traction engendrée dans l'enveloppe lors du frettage sur l'arbre 1. Cette contrainte de traction se trouve ainsi annulée de sorte que la tenue de matériau constituant la couche externe est sensiblement améliorée. On peut ainsi choisir pour ce matériau une composition de métal relativement riche en carbure qui procure une résistance particuliérement élevée à l'abrasion, la teneur en chrome étant par ailleurs suffisante pour garantir une excellente tenue vis à vis des contraintes d'origine thermique.
  • On voit donc que la structure du cylindre selon l'invention et son procédé de fabrication, alliant la coulée par centrifugation et le frettage, permettent de façon suprenante de concilier des impératifs a priori opposés ou supposés tels dans la technique antérieure.

Claims (3)

1. Cylindre composite pour le compactage, comprenant un arbre et une enveloppe (2), elle-même composite, frettée sur cet arbre, ladite enveloppe (2) comprenant une première couche externe (3) d'un premier matériau A et une deuxième couche interne (4) d'un second matériau B, les matériaux de ces deux couches étant liés métallurgiquement entre eux, préalablement au frettage, caractérisé en ce que le second matériau B possède un coefficient de dilatation linéaire supérieur à celui du matériau A de façon à placer le matériau A en précontrainte de compression préalablement au frettage, la valeur de cette précontrainte de compression étant au moins égale à la contrainte de traction engendrée lors du frettage de l'enveloppe composite sur l'arbre.
2. Cylindre composite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on choisit le matériau A dans le groupe comprenant:
a-une fonte à haute teneur en chrome et en carbone ayant la composition suivante:
Figure imgb0004
b-ou bien un acier à haute teneur en chrome ayant la composition suivante:
Figure imgb0005
3. Cylindre composite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on choisit le matériau B dans le groupe comprenant:
a-de la fonte nodulaire type GS. 70.2 ayant la composition suivante:
Figure imgb0006
b-ou bien un acier de type XC 40 à XC 70 normalisé revenu.
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