Fil machine

Fil machine
par
André FAESSEL
Directeur – Secrétaire général Recherche et technologie,
Groupe Usinor-Sacilor
1.
1.1
1.2
1.3
Le produit ...................................................................................................
Marché..........................................................................................................
Transformation ............................................................................................
Contraintes imposées par l’aval .................................................................
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—
2
—
2
—
2
2.
2.1
2.2
Conception de la filière de production ..............................................
Élaboration du métal et coulée continue...................................................
Laminage......................................................................................................
—
—
—
3
3
4
3.
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Description d’un train à fil ....................................................................
Vue générale d’un train à fil........................................................................
Réchauffage des demi-produits .................................................................
Laminage du fil ............................................................................................
Refroidissement du fil .................................................................................
Instrumentation en ligne.............................................................................
Contrôle et conditionnement......................................................................
—
—
—
—
—
—
—
4
4
5
7
9
11
12
4.
4.1
4.2
4.3
Éléments économiques ..........................................................................
Structure des coûts du laminage ...............................................................
Effectifs .........................................................................................................
Investissements ...........................................................................................
—
—
—
—
12
12
12
12
e fil machine est un produit de section en général circulaire d’un diamètre
variant de 5 à 32 mm et habituellement livré en couronne. Derrière cette
définition se cache une variété impressionnante de produits finis, depuis les
Caddies de supermarché, grillages, agrafes, bras d’essuie-glaces, tables, cribles,
chaînes jusqu’aux vis, boulons, pistons, axes en passant par les ressorts, le
renforcement du béton, les ouvrages d’art et le pneumatique !
Le texte ci-après s’appuie sur des documents internes au groupe Usinor-Sacilor,
en particulier ceux de Mlle Estivalet et de M. Lequéré de la société Unimétal.
M 7 965
12 - 1996
L
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M 7 965 − 1
FIL MACHINE __________________________________________________________________________________________________________________________
1. Le produit
1.1 Marché
Traditionnellement ces produits sont répartis en fonction de leur
utilisation finale. Le marché mondial du fil machine s’élève en 1995
(0)
à 92 Mt et le marché européen à 15 Mt suivant le tableau 1.
Tableau 1 – Marché du fil machine en 1995
(en millions de tonnes)
Monde
Europe
92
Tréfilage
Automobile
Bâtiment
et travaux publics
Mécanique
3,7
2,2
1,5
Applications industrielles
1,1
Divers
0,8
Total
Renforcement
du béton
Treillis soudé
Crénelé à chaud
9,3
4,8
1,0
Total
5,8
Total
15,1
1.2 Transformation
Chacun de ces produits finis a suivi une succession spécifique
d’opérations de préparation et de transformation qu’il est difficile
de décrire d’une manière exhaustive.
Il est cependant possible d’identifier les opérations communes en
prenant l’exemple du fil d’acier doux qui, en fonction de son
utilisation finale, suit tout ou partie des opérations suivantes
(figure 1) :
— préparation de surface, après décalaminage mécanique ou
chimique (phosphatation, cuivrage, neutralisation...) ;
— déformations successives par tréfilage ou laminage pour
réduire la section et lui conférer la forme souhaitée ; ces successions
de déformations peuvent être séparées par un ou deux recuits intermédiaires afin de redonner au métal écroui une nouvelle aptitude
à la déformation ;
— recuit final de relaxation ou traitement thermique ;
— traitement de revêtement (galvanisation, plastification,
cuivrage...) ;
— mise en forme et conditionnement avant expédition du produit
final.
Pour d’autres qualités d’acier, des opérations particulières sont
effectuées comme la frappe, le décolletage, l’enroulage, le
dressage, etc.
Ces différentes étapes de mise en œuvre du produit feront appel
à des propriétés spécifiques du métal auxquelles s’ajoutent les
contraintes imposées par son utilisation finale.
Citons par exemple :
— la résistance à la rupture (fil pour précontrainte) ;
— la tenue à la fatigue (fil pour pneumatique) ;
— l’aptitude à la déformation (muselet de champagne) ;
— la résistance à la corrosion (câble).
1.3 Contraintes imposées par l’aval
Cette description sommaire conduit à deux observations majeures
pour le fil :
— le fil machine est un demi-produit commun aux produits
transformés avant leur utilisation finale ;
— les transformations intermédiaires ajoutent des contraintes
supplémentaires à celles correspondant aux propriétés d’emploi
final.
Le problème posé aux sidérurgistes est donc de concevoir une
filière de production tenant compte de ces deux observations.
Figure 1 – Transformation du fil machine
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1.3.1 Fil machine : un demi-produit
À la différence d’autres produits longs comme la poutrelle ou la
palplanche, voire le rail, qui sont dans la plupart des cas des produits
finis ou quasi finis, les transformations ultérieures du fil machine
sont trop élaborées et diverses pour être des activités sidérurgiques.
Intégrer ces activités de transformation dans le process sidérurgique
aboutirait à démultiplier les lignes de fabrication et les outils. De plus,
les quantités seraient fatalement divisées et les économies d’échelle,
qui sont une des caractéristiques de l’activité sidérurgique, seraient
gommées. Le terme générique de fil machine recouvre donc une
large variété de demi-produits, dont la gamme de fabrication est relativement homogène : la diversité finale des produits se fait dans
l’éclatement de la transformation avale.
La seule exception à cette caractéristique du fil machine est le rond
béton en couronnes, qui est un produit quasi fini, à la sortie du train
de laminage (forme, caractéristiques mécaniques). Les transformations ultérieures sont, ainsi que la distribution, très souvent intégrées
à l’activité sidérurgique.
1.3.2 Contraintes imposées par l’aval
Elles se traduisent, pour le fil machine, par des exigences de caractéristique précises dans les domaines suivants :
— propriétés structurales et mécaniques ;
— comportement de la surface ;
— caractéristiques géométriques ;
— conditionnement/délais/mise à disposition.
2. Conception de la filière
de production
2.1 Élaboration du métal
et coulée continue
L’élaboration du métal comporte essentiellement deux étapes
(figure 2) :
— fabrication du métal liquide à partir de matières premières
(minerai, fonte, ferrailles) et métallurgie en poche conférant au métal
une analyse et une propreté déterminées ;
— solidification de l’acier et coulée en continu (pour la presque
totalité du fil) ou en lingot.
Figure 2 – Élaboration du métal
2.1.1 Fabrication du métal liquide
Deux filières d’élaboration sont en compétition dans les pays
industrialisés : celle transformant dans un convertisseur la fonte
issue de la réduction du minerai de fer en haut-fourneau (filière fonte)
et celle effectuant la fusion de ferrailles du commerce dans un four
électrique ; les deux filières sont équivalentes pour l’obtention de
l’acier liquide et identiques à partir de la métallurgie en poche. Elles
diffèrent cependant à l’avantage de la filière fonte pour la pureté du
métal (basse teneur en résiduels et en azote) et la capacité de production, à l’avantage de la filière électrique par le coût d’investissement (divisé par 10) et la protection de l’environnement (émissions
gazeuses plus faibles). Les recherches et études sont menées pour
rapprocher ces deux filières.
L’évolution actuelle est en faveur de la filière ferraille dont la part
de production européenne est passée de 27 % en 1980 à 32 % en
1990 pour atteindre 35 % en 2 000 (les chiffres correspondant à la
filière fonte sont respectivement 73-68-65 %).
2.1.2 Métallurgie en poche
La métallurgie en poche présente essentiellement deux
opérations :
— un affinage en poche chauffante permettant d’atteindre la mise
à nuance (précision et reproductivité analytique) et de contrôler la
composition et la morphologie des inclusions ;
— une installation de dégazage pour garantir de très basses
teneurs en oxygène, hydrogène, carbone et contrôler l’azote tout en
complétant la décantation des inclusions déjà ébauchée au four
poche.
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2.1.3 Solidification
L’acier liquide est coulé dans un répartiteur de grande capacité
afin de contrôler la décantation des inclusions et par là l’état inclusionnaire. Il est alors coulé en continu dans une ou plusieurs
lingotières avec protection des jets. La maîtrise de cette coulée a une
incidence directe sur la propreté inclusionnaire et l’état de surface
du produit.
Enfin la solidification de l’acier et son refroidissement
conditionnent l’état de surface, la qualité interne et le niveau de
ségrégation des blooms ou billettes.
Un contrôle de la qualité de surface peut être effectué à froid sur
les produits pouvant conduire à des réparations éventuelles.
2.1.4 Contraintes imposées par l’amont
Cette description du processus suivi montre bien que la nature
intrinsèque du métal est faite essentiellement à l’aciérie :
— caractéristiques analytiques ;
— qualité de surface ;
— santé interne (propreté inclusionnaire, ségrégation).
Cette filiation forte s’accompagne de contraintes technologiques
pour le laminoir :
■ le prix de revient minimal à l’aciérie suppose une section la plus
forte possible ; les conditions de laminage à chaud (technologie, coût
de la transformation, qualité du produit) conduiraient à une prise de
fer plus faible : le train à fil sera donc un outil d’interface, assurant
un coût ajouté minimal et par là un coût de revient minimal à la filière
de production dans son ensemble.
■ le train à fil doit assurer le maintien de la qualité du produit élaboré et permettre l’acquisition de certaines propriétés mécaniques
et métallurgiques pour réduire le nombre d’opérations de transformation ultérieure, conduisant à une minimisation du coût total de la
filière complète.
2.2 Laminage
Une première opération de laminage est quelquefois réalisée
lorsque le produit venu de l’aciérie est de trop grande section : c’est
le cas de la voie lingot ou de la coulée continue de blooms. Le laminage au train à billettes permet ainsi de ramener cette section à la
prise de fer du train à fil. Le relaminage n’est pas favorable à la minimisation du coût de la filière.
Il est donc souhaitable de conserver cette filière uniquement
lorsqu’un corroyage important est nécessaire pour atteindre les
propriétés métallurgiques demandées au fil machine.
2.2.1 Coût ajouté minimal
Le coût ajouté minimal s’obtient par la minimisation de deux
composantes :
— le coût du capital et du travail humain ;
— le coût matière et énergie.
Cela prédétermine les structures d’implantation, les technologies
utilisées et les points de fonctionnement des trains à fil.
■ La minimalisation des coûts du capital et du travail humain
conduit à rechercher la maximalisation des débits ce qui, pour un
demi-produit de faible poids métrique, se traduit par des recherches
de vitesses linéaires et des coefficients de remplissage de la ligne de
transformation élevés. Cela est obtenu par un laminage à chaud à
grande vitesse et de façon continue.
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■ La minimalisation du coût énergétique aboutit à une transformation à chaud, en phase austénitique, qui permet de bénéficier de la
recristallisation de l’acier et de la reconstitution de son aptitude à la
déformation.
2.2.2 Coûts des transformations ultérieures
Les caractéristiques que confère le laminage, permettant de minimiser les coûts des transformations ultérieures sont :
— dimensionnelles (au sens large) ;
— structurales et mécaniques ;
— antioxydantes.
■ Au sujet des caractéristiques dimensionnelles, deux aspects sont
essentiels :
— la section du fil est circulaire : cela permet de conserver un
demi-produit standard apte à des transformations diverses. Dans de
rares cas, il peut être intéressant de laminer des demi-produits non
cylindriques, tels les hexagones, mais il faut que les quantités soient
suffisantes pour maintenir un avantage économique au laminage du
fil machine ;
— le diamètre minimal usuel laminé est de 5,5 mm, occasionnellement 5 mm, un diamètre plus faible ferait chuter la productivité
du train à fil au point de rendre le procédé moins économique que
d’autres procédés à froid comme le tréfilage.
■ Les caractéristiques structurales et mécaniques sont apportées
par le traitement thermomécanique et le refroidissement en fonction
de l’analyse du métal. Celle-ci est souvent prédéterminée par ajustement des teneurs en éléments de base de l’acier en fonction des
caractéristiques mécaniques finales recherchées après la transformation ultérieure.
■ Les caractéristiques antioxydantes sont apportées par le refroidissement qui permet de maîtriser le protecteur naturel de l’acier
contre l’oxydation : la calamine.
Enfin, le fil machine une fois laminé, il convient de le présenter
sous une forme facilitant la mise en œuvre ultérieure. Comme, par
définition, le fil machine est d’un poids métrique faible, il est
conditionné sous forme de couronne.
3. Description d’un train à fil
Le train à fil doit assurer successivement les fonctions suivantes
pour un coût ajouté minimal :
— réchauffer la billette ;
— donner au fil sa géométrie finale par laminage ;
— donner au fil ses caractéristiques mécaniques finales par le
refroidissement ;
— livrer des couronnes de fil conformes aux demandes clients par
les opérations de contrôle, de conditionnement et de chargement
sur camion ou wagon.
À titre d’exemple, le tableau 2 résume les caractéristiques de
quelques trains à fil.
(0)
3.1 Vue générale d’un train à fil
L’implantation des différents outils assurant ces fonctions est en
général linéaire, ce qui donne des ateliers en longueur, pouvant
atteindre 1 500 m de long.
Pour assurer une production de masse, donc à prix de revient
réduit, tout en ayant un investissement initial minimal, on ne
multipliera le nombre de lignes de laminage que si la technologie
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Tableau 2 – Comparaison de quelques trains à fil dans le monde
Société
Localité
Pays
Année de
construction (c) ou
modernisation (m)
Masse
des billettes
Vitesse
de sortie du fil
(kg)
(m/s)
1992 (m)
1 800
75
Nombre
de veines
British Steel
Scunthorpe
Royaume-Uni
Unimétal
Longwy
France
1994 (m)
2 000
85
2
STFS
Schifflange
Luxembourg
1993 (m)
2 500
100
2
Saarstahl
Neunkirchen
Allemagne
1991 (m)
2 500
100
1
Shlobin
Shlobin
Biélorussie
1984 (c)
1 400
116
1
Ukraine
1994 (c)
2 100
120
2
Posco
Pohang
Corée du Sud
1984 (c)
2 000
100 (118)
1
Belgo Mineira
Joao Monlevade
Brésil
1990 (c)
2 200
120 (140)
1
Rép. Pop. de Chine
1995 (c)
120 (155)
1
Makievka
Kunming I&S Corp
le rend indispensable. La définition du lay-out d’un train à fil est
conditionnée par les limites de capacité de chacun des outils. Par
exemple, un four de réchauffage de billettes peut avoir une capacité de production de 130 à 160 t/h, alors que les laminoirs traditionnels ne produisent que de 60 à 80 t/h par veine : le train
comprendra donc un seul four, mais un laminoir à 2 veines (sur
lequel 2 billettes sont laminées en même temps).
La figure 3a donne une image d’un train à fil multiveine
construit dans les années 70 : le réchauffage se fait dans un seul
four, la première phase du laminage est effectuée en parallèle sur
les mêmes outils communs à plusieurs veines, la seconde phase
en parallèle sur des outils indépendants. La première phase du
refroidissement et la mise en couronnes sont aussi réalisées sur
des outils identiques mais indépendants, alors que les opérations
de contrôle et de conditionnement regroupent la production des
différentes veines.
A contrario, la figure 3b donne le lay-out d’un train à fil constitué
d’outils dont la technologie de laminage à très grande vitesse permet de laminer la production annuelle sur une seule veine.
Dans ce qui suit, nous décrirons les outils les plus couramment
utilisés pour assurer les fonctions précitées. Bien entendu, chaque
installation a ses propres spécificités et a été appelée à s’équiper
d’outils particuliers complémentaires à ceux décrits ici.
4
3.2.1 Niveau de base
On doit :
— mettre les demi-produits à laminer à un niveau de température
permettant une déformation du produit par laminage demandant le
moins d’énergie possible (à environ 1 100-1 200 oC) ;
— assurer une cadence de production élevée ;
— optimiser la consommation énergétique, en réduisant au
mieux les pertes thermiques dans le four.
La figure 4 donne une description de four assurant ces objectifs
de base. Ce four est appelé four poussant : les demi-produits sont
enfournés et disposés en nappe dans le four ; des pousseuses
assurent l’enfournement et le déplacement longitudinal de la
nappe de billettes.
La structure du four est découpée en 3 zones : de préchauffage,
de grand feu et d’égalisation. La longueur de ces zones, le nombre
et le positionnement des brûleurs est directement fonction du
tonnage horaire à réchauffer, et des dimensions des demi-produits.
Selon les pays et les sociétés, les fours sont alimentés en fuel,
gaz naturel, gaz de cokerie ou de haut fourneau, ou encore alimentés
de façon mixte.
3.2.2 Niveau 1
3.2 Réchauffage des demi-produits
Si l’on se réfère aux 25 dernières années (durée de vie possible
d’un four de réchauffage), on voit que les objectifs du réchauffage
ont fortement évolué. Les technologies employées permettent
d’atteindre des performances repérées par trois niveaux de
complexité croissante, à partir d’un niveau dit de base.
Il faut fournir à chaque nuance d’acier le niveau de température
juste nécessaire à sa déformation par laminage.
Cela signifie que le four de réchauffage est alors équipé de façon
à ce que chaque nappe de qualité différente suive une courbe de
chauffe (température/temps) différente, avec un suivi géographique
des demi-produits dans le four, et un pilotage de la chauffe (préréglage manuel ou automatique).
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Figure 3 – Trains à fil multiveine et monoveine
3.2.3 Niveau 2
Il faut fournir à chaque nuance d’acier le niveau de qualité nécessaire en surface et en interne (plage de 900 à 1 200 oC pour les aciers
au carbone et faiblement alliés).
En surface, en particulier, les courbes de chauffe doivent
permettre d’éviter l’apparition d’une trop importante quantité de
calamine (oxyde de fer) ou obtenir une épaisseur décarburée minimale, néfaste au fil après transformation (cas des aciers pour roulements et pour ressort). Ils doivent aussi éviter l’apparition de
phases fusibles en surface du produit pouvant être à l’origine de
défauts au laminage (cas des aciers chargés en résiduels, dont le
cuivre).
Dans la section du demi-produit, on peut demander au four de
réchauffage d’avoir un cycle de chauffe lent destiné à améliorer la
ségrégation à cœur (maintien pendant plusieurs heures à
température > 900 oC).
M 7 965 − 6
Enfin la conduite automatique du four peut tenir compte d’un
régime de marche dégradé, en fournissant des modifications de
consignes lors d’arrêts programmés ou d’incidents sur le laminoir.
Exemple d’un four de réchauffage assurant ces 3 niveaux de
fonctions : la figure 5 présente un four à longerons mobiles ; Ces
longerons ont un mouvement rectangulaire, permettant à chaque cycle
de lever, déplacer puis reposer les billettes sur la sole. Les demi-produits
sont enfournés en nappe discontinue : cela donne un meilleur échange
de chaleur entre les gaz et le produit et permet la séparation des lots
de nuances différentes. Des zones inférieures équipées de brûleurs
permettent d’homogénéiser plus rapidement la température en épaisseur et d’assouplir les réglages des cycles de réchauffage. Un équipement à double longeron permet, si souhaité, un passage rapide dans la
zone d’égalisation pour éviter la décarburation.
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il est possible d’implanter des équipements de réchauffage par
induction (bobines encerclantes) permettant :
— un apport calorifique important sur la partie la plus froide du
produit (la peau), compensant ainsi les pertes par rayonnement ;
— un apport calorifique supplémentaire pour certains aciers
chauffés relativement bas dans le four principal pour éviter la
décarburation, mais demandant à être à un niveau de température
suffisant au stade final du laminage.
3.3 Laminage du fil
Figure 4 – Four poussant
Une fois réchauffé à la température demandée, le demi-produit,
sous forme de billettes, par exemple de section 155 × 155 (mm2), de
longueur 13 m, est déformé en plusieurs passes jusqu’à obtenir un
fil rond, de diamètre de 5 à 32 mm et de grande longueur (1 300 m
pour un fil de diamètre 5,5 mm). Du fait de la longueur du fil, il est
mis en spires et bobiné à chaud.
Le procédé de laminage du fil d’acier répond à plusieurs attentes :
— donner au fil sa section finale, par allongement entre deux
cylindres de laminoir, dans une succession 25 à 30 passes selon les
installations ;
— donner au fil ses dimensions précises finales, selon les
demandes du client ;
— donner au fil un niveau de qualité de surface répondant aux
exigences.
3.3.1 Maîtrise géométrique
Figure 5 – Fours à longerons tubulaires (doc. Danieli)
3.2.4 Consommations
Le bilan thermique montre que pour 100 % d’apport calorifique
dans un four moderne de réchauffage, seulement 65 % servent à
chauffer le produit à laminer, 14 % permettent de maintenir en
température l’enceinte du four (perte par les murs et les équipements
mécaniques) et 21 % sont perdus par évacuation des fumées.
La consommation thermique à la tonne enfournée dépend du type
de four, du format de la billette, de la cadence de laminage, et aussi de
son carnet de nuances d’acier : par exemple, un train à fil isolé,
laminant des aciers de 0,1 à 0,8 % de carbone, ayant une capacité
annuelle de 500 kt, consomme entre 1 100 et 1 200 MJ/t enfournée.
Par contre, un train à fil situé juste en aval d’une coulée continue de
billettes peut pratiquer l’enfournement à chaud et réduire ainsi les
consommations : un train à fil pour treillis soudé et ronds à béton produisant 1,1 Mt/an peut consommer seulement 800 MJ/t enfournée
3.2.5 Autres techniques de réchauffage
Encore assez peu utilisé sur des trains à fil traditionnels, le
réchauffage électrique peut être une solution intéressante, notamment en réchauffage d’appoint. Sur les trains à fils d’aciers spéciaux,
Pour assurer les deux premières fonctions, le laminage est fait
dans plusieurs groupes de cages, chacun ayant une spécificité :
— le dégrossisseur ;
— l’intermédiaire ;
— le préfinisseur ;
— le finisseur.
Les deux premiers groupes assurent une déformation importante
par passe. Ils servent essentiellement la première fonction d’allongement du fil, pour passer du format et de la géométrie de la billette
fournie par la coulée continue ou par le train à billettes (très souvent
une section carrée) à la section et la géométrie finale (ronde).
Les deux derniers groupes assurent la fonction géométrie finale :
on doit obtenir un fil circulaire, à l’intérieur de tolérances précises,
en termes de diamètres minimal et maximal, et d’ovalisation. La
figure 6 illustre les objectifs dimensionnels selon différentes
normes. Un ordre de grandeur de la tolérance demandée pour un
fil de diamètre 5,5 mm : 0,15 mm.
Chaque groupe est constitué de plusieurs cages de laminoir. Une
cage de laminoir à fil est constituée de plusieurs éléments
mécaniques, chacun ayant sa fonction (figures 7 et 8) :
— les cylindres de laminage, tournant en sens inverse, réduisent
la section du produit au travers de cannelures spécifiques. Le produit
s’allonge à chaque passage pour atteindre sa géométrie finale. La
succession de formes données au produit s’appelle le calibrage ;
— les tourillons des cylindres reposant dans des paliers contenus
dans les empoises (à film d’huile ou à roulements) permettent la rotation des cylindres sans effet d’usure, ni de déplacement axial d’un
cylindre par rapport à l’autre ;
— un système mécanique et hydraulique permet d’exercer sur les
empoises un effort de serrage de façon à fixer l’écartement entre
les deux cylindres (levée). Il est impératif que, lors du passage de
la barre, le cédage (déplacement) de la cage soit minimal. Ce cédage
est le résultat de la compensation des jeux et de la flexion des
différentes pièces mécaniques sous l’effet de l’effort de laminage et
c’est d’autant plus important que l’on arrive au stade final du laminage. La construction mécanique des cages, de ce fait, est différente
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Figure 7 – Gages de trains à fil
3.3.2 Maîtrise de la qualité de surface
Figure 6 – Tolérances dimensionnelles
selon qu’elles se situent dans le dégrossisseur (cédage pouvant aller
jusqu’à 1 à 2 mm), ou dans le bloc finisseur (cédage de l’ordre de
0,1 mm au maximum) ;
— la mise en rotation des cylindres est faite par un ensemble
moteur-réducteur accouplé aux cylindres par des allonges à cardans.
Plus on s’approche du produit fini, plus l’effort et le couple de
laminage sont réduits, conduisant à des cages et des réducteurs de
plus petites dimensions. À l’inverse, le laminage de fil se faisant le
plus souvent en continu, les vitesses de laminage augmentent,
selon la loi des débits :
section du produit × vitesse = Cte
Par exemple, dans le cas d’une billette de section 155 × 155 mm2,
laminée en fil de diamètre 5,5 mm, la vitesse à l’entrée de la première
cage est de 0,1 mm/s, pour une vitesse à la sortie de la dernière cage
de 100 m/s. Chaque moteur est alors dimensionné pour accepter
couple, vitesse et puissance.
Chaque groupe de cages (de 4 à 10) est séparé par des cisailles
qui permettent de couper les extrémités déformées de la barre
laminée, source possible d’incidents à l’engagement dans le groupe
de cages suivantes.
M 7 965 − 8
Pendant le laminage, la qualité de surface du produit est définie
en termes de profondeur, longueur, nombre de défauts et rugosité.
Selon l’utilisation ultérieure du fil, la profondeur maximale des
défauts admissible sur du fil brut de laminage varie de 50 à 200 µm.
Elle est obtenue par :
— la maîtrise du réchauffage dans le four, mais aussi en évitant
les pertes de température au laminage ;
— un équipement de décalaminage (projection d’eau à très haute
pression, pouvant atteindre 250 bar, qui fracture et décolle la couche
de calamine par un effet double de chocs thermique et mécanique)
est situé à la sortie du four ou/et à l’entrée du groupe finisseur ;
— un calibrage adapté : le plus couramment utilisé aujourd’hui
sur les trains à fil est une succession de passes rond-ovale qui permet
à la fois un allongement optimal par passe et une qualité de surface
meilleure par rapport à d’autres calibrages (ovale-carré,
losange-carré). À titre d’illustration, une représentation schématique
du calibrage de train à fil est donnée en figure 9;
— la maîtrise du guidage de la barre à l’entrée et à la sortie de
chaque cage ;
— le contrôle de la qualité de surface des cylindres de laminage,
qui imprime à la peau du produit sa rugosité. Ces cylindres sont
d’ailleurs continûment refroidis à l’eau pour leur éviter un faïençage
thermique, qui accélérait leur usure. La nature des cylindres varie
au long du laminage : en fonte ou en acier allié aux premières cages,
ce sont des galets en carbure de tungstène au stade du bloc finisseur,
de façon à maîtriser à la fois l’usure et la rugosité.
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3.4.2 Refroidissement à l’eau
Il est destiné à refroidir rapidement le fil jusqu’au cœur, tout en
cherchant à conserver une température la plus homogène possible.
À la sortie des groupes finisseurs, et parfois avant, le fil passe pour
cela dans des tubes remplis d’eau sous une pression de 6 à 12 bar
(figure 11).
Le refroidissement rapide à l’eau permet de figer la structure
métallurgique en empêchant le grain austénitique de croître. Selon
la gamme dimensionnelle laminée sur le train à fil, et selon les
nuances d’acier, le nombre et la disposition des boîtes à eau varient
ainsi que le nombre d’injecteurs en service. Entre chaque boîte à
eau, une zone de refroidissement à l’air libre est destinée à réhomogénéiser la température dans la section du fil.
On s’assure aussi que le produit atteint la température visée pour
le dernier stade de refroidissement contrôlé sans que la peau
n’atteigne la température de transformation martensitique.
Quand on dispose une boîte à eau devant le groupe finisseur, on
cherche à atteindre deux types d’objectifs :
— obtenir une température constante avant la dernière série de
passes de laminage, de façon à stabiliser les dimensions du fil, et
à obtenir une homogénéité de structure métallurgique ;
— obtenir un cycle de refroidissement précis, pour obtenir une
taille de grain la plus petite possible avant le laminage (laminage
à température contrôlée).
Les vitesses de refroidissement atteintes, valeurs moyennes sur
la section du fil s’étalent entre 500 et 1 500 oC/s, selon le diamètre
du fil, la vitesse de laminage et le nombre d’injecteurs utilisés.
Après son passage dans les boîtes à eau, le fil est mis en spires,
ce qui constitue un moyen pour ralentir la vitesse linéaire de 100 m/s
à 0,5-2 m/s et préparer le conditionnement en couronnes.
3.4.3 Refroidissement à l’air
Figure 8 – Bloc finisseur
3.4 Refroidissement du fil
Cette étape est fondamentale pour obtenir les principales
propriétés nécessaires aux transformations ultérieures du fil : les
caractéristiques mécaniques, ainsi que l’oxydation finale.
Le refroidissement du fil se fait en plusieurs étapes, illustré par
la figure 10, résultat de modèles de simulation.
3.4.1 Thermique du laminage
Tout au long du train, le rayonnement et le contact avec les
cylindres refroidis à l’eau provoquent un refroidissement naturel de
la barre laminée. Cependant, il est partiellement compensé par un
échauffement du fil pendant sa déformation. Dans le dégrossisseur
et l’intermédiaire, c’est le refroidissement qui l’emporte, alors que
dans les groupes préfinisseur et finisseur, c’est l’échauffement qui
l’emporte, du fait de la très haute vitesse de laminage et du faible
rapport périmètre/section du fil, réduisant les échanges de chaleur.
Il est enfin refroidi à l’air, en nappes de spires étalées sur un
convoyeur équipé de plusieurs ventilateurs, et éventuellement de
couvercles, destinés à ralentir et homogénéiser le refroidissement.
C’est le dernier stade de préparation métallurgique du fil dans la
chaude de laminage : on pilote ainsi la courbe de transformation
austénitique, en fixant le nombre, la position et la puissance des
ventilateurs utilisés, et en jouant sur les vitesses de défilement dans
les différentes zones du convoyeur. Les vitesses de refroidissement
peuvent ainsi varier de 1 oC/s à 30 oC/s selon la nature des aciers.
La longueur du convoyeur est un facteur important de réussite
du refroidissement. Un ordre de grandeur couramment admis est
l’équivalent en mètres de la vitesse de laminage maximale en m/s.
Par exemple, un train à fil moderne laminant à 100 m/s est équipé
d’un convoyeur à air de 100 m de long.
Actuellement deux techniques de convoyeurs sont principalement implantées :
— la plus ancienne est le convoyeur Stelmor (R) à chaînes : deux
chaînes placées dans le sens longitudinal entraînent les spires de
fil. Elles présentent deux inconvénients : une hétérogénéité transversale du refroidissement (effet d’ombre des chaînes par rapport
à la nappe de spires) et un risque de blessure mécanique du fil par
frottement ;
— une technique de convoyeur à rouleaux Stelmor (R) ou Ashlow
(R) : les nappes sont entraînées par des rouleaux motorisés.
D’autres techniques ont été développées pour des applications
spécifiques de traitement thermique dans la chaude de laminage :
trempe à l’eau chaude (95 à 100 oC), dans des bains de sel, vaporisation d’eau destinée à réduire la recalescence au moment de la
transformation de l’austénite, etc. Tous ces procédés ont pour but
de supprimer, au moins en partie, un traitement thermique ultérieur
(patentage).
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Figure 9 – Suite des passages pour les diamètres laminés habituellement sur un train à fil
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Figure 10 – Courbe température temps
sur un train à fil
Figure 11 – Boîte à eau
3.5 Instrumentation en ligne
3.5.2 Maîtrise du réchauffage
Un train à fil moderne est équipé en ligne de différents moyens
de contrôle du processus de laminage et de la qualité du produit
laminé.
Le four de réchauffage est équipé de moyens de mesures de la
température dans les différentes zones (couples thermoélectriques
ou cannes pyrométriques), du débit et de la pression des fluides de
combustion, et de la composition des gaz de combustion. Cette
instrumentation est indispensable dans le cas d’une automatisation de la conduite du four de réchauffage.
3.5.1 Suivi de production
Un suivi informatisé géographique et chronologique des billettes
depuis l’enfournement, mais aussi dans le four, sur le laminoir, le
convoyeur et en aval permet de reconnaître le produit laminé, et de
mémoriser le cycle de fabrication suivi par chaque couronne livrée.
3.5.3 Maîtrise de laminage
Sur le laminoir, la mesure de température du produit par pyrométrie est faite le long du train, en particulier dès qu’on veut piloter
les refroidissements à l’eau puis à l’air : mesure à la sortie du groupe
intermédiaire, à l’entrée du bloc finisseur, à la tête de mise en spires
et au puits de reformation des couronnes.
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Des mesures d’intensité et de vitesse de chaque cage permettent
de prérégler et de réguler la vitesse de chaque cage, de façon à éviter
toute traction ou compression du fil entre les cages.
3.5.4 Contrôle de la qualité du produit
Pour maîtriser (en ligne) la qualité du fil, le train est couramment
équipé de deux appareillages :
— mesure dimensionnelle du fil au stade final et parfois avant
le bloc finisseur : les techniques peuvent être statiques (mesure de
2 diamètres perpendiculaires) ou plus complexes (jauges oscillantes
ou tournantes). La méthode le plus couramment employée est
optique : un faisceau plan de lumière est traversé par le fil et on
mesure par voie optique la largeur de l’ombre projetée ;
— contrôle de la qualité de surface : la technique utilisée est celle
des courants de Foucault où le fil chaud passe au travers d’une
bobine, créant un champ magnétique. Ce dernier est perturbé par
l’apparition d’un défaut (paille, repliure, blessure mécanique,
fissure...). Le signal traité électroniquement et correctement étalonné
permet de déterminer la plage de profondeur des défauts et leur
densité.
3.6 Contrôle et conditionnement
Après un premier refroidissement sur le convoyeur à air (400
à 600 oC, selon les nuances), les spires tombent dans un puits,
destiné à reformer les couronnes de fil. Celles-ci sont évacuées sur
des crochets qui se déplacent le long d’un convoyeur. Elles achèvent
ainsi leur refroidissement.
Des spires de fil sont prélevées en tête et pied de couronnes
pour éliminer les zones de mauvaise qualité géométrique et métallurgique, puis pour réaliser les contrôles finaux :
— test de traction, pour caractériser la résistance mécanique ;
— test d’écrasement pour contrôler la présence de défauts ;
— étude métallographique ;
— contrôle anti-mélange.
Les couronnes sont ensuite compactées et ligaturées dans des
compacteuses, puis pesées, étiquetées, et dirigées soit vers une halle
de stockage ou d’emballage (pour éviter les blessures et l’oxydation
pendant le transport), soit vers un stand de chargement direct sur
camion ou wagon.
4. Éléments économiques
4.1 Structure des coûts du laminage
■ Le coût total ajouté au produit par le laminoir peut être
décomposé par nature :
— frais de transformation : matière, énergie, achats divers, main
d’œuvre, entretien (hors main d’œuvre) ;
— frais généraux de structure ;
— amortissements et frais financiers correspondants ;
— frais financiers sur les stocks.
Les frais généraux de structure dépendent, par définition, de la
structure de l’entreprise et non de la technologie. Les amortissements et autres frais financiers dépendent de l’histoire des installations et non de la situation actuelle ainsi que de la gestion globale
de l’entreprise (jusqu’à sa politique commerciale).
■ En ce qui concerne les frais de transformation, les coûts ajoutés
d’exploitation se répartissent ainsi (ordres de grandeur en % des frais
de transformation) :
— main d’œuvre ........................................... 36
— énergie...................................................... 20 à 25
M 7 965 − 12
— rendement .................................................15 à 20
— matières diverses...................................... 8
(dont cylindres 4,5)
— transports internes......................................0 à 3
Le coût du rendement (mise au mille, déclassement, retour clients)
se situe vers 15 % pour les aciers les plus courants, mais augmente
avec la valeur de la matière première enfournée.
Réduire les coûts de transformation des trains à fil conduit à porter
l’effort d’économie sur :
— la main d’œuvre ;
— l’énergie ;
— le rendement.
Les deux derniers postes militent pour un processus de transformation aussi continu que possible après la coulée, avec enfournement chaud voire direct.
■ En ce qui concerne la main d’œuvre, une décomposition plus
fine des principaux postes conduit à distinguer :
— opération de laminage ....................................................... 15 %
— maintenance (y compris outillages de fabrication) ....... 30 %
— conditionnement ................................................................. 40 %.
Ceci confirme que le laminoir, comme outil de déformation plastique, est très productif. Des améliorations peuvent être encore
obtenues sur le poste maintenance.
L’effort le plus important est à porter sur le conditionnement par
un processus de plus en plus continu, l’augmentation du poids de
couronne et l’automatisation et la robotisation de l’atelier de
conditionnement.
4.2 Effectifs
L’organisation d’un train à fil dépend de :
— son carnet de nuances : train à fil monoproduit (ex : treillis
soudé) ou aciers de qualité ;
— son degré d’automatisation ;
— son environnement : à proximité ou éloigné de l’unité de production de billettes ;
— les prestations effectuées par des services centraux ou
sous-traités ;
— la législation du travail du pays (nombre d’heures de travail
hebdomadaire).
La production est organisée le plus souvent en trois postes de
travail de 8 h par jour. Le nombre de postes hebdomadaires
dépend de la production annuelle et de la productivité du laminoir.
Exemple : à titre indicatif, on donnera les chiffres suivants :
— pour une production de 600 kt/an de fil pour béton uniquement, dans une mini-usine, et en pratiquant l’enfournement chaud,
un effectif de 200 personnes est suffisant, soit 3 000 t/(homme/an) ;
— pour une production de 670 kt/an d’acier au carbone de qualité
moyenne, situé dans une mini-usine, sans enfournement chaud, un
effectif de 240 personnes/an est nécessaire, soit 2 800 t/(homme/an) ;
— dans un site isolé, pour un carnet similaire, on peut atteindre
2 000 à 2 500 t/(homme/an) ;
— dans une logique de filière raccourcie au maximum, certains
envisagent aujourd’hui la possibilité d’atteindre 4 500
à 5 000 t/(homme/an).
4.3 Investissements
De même que pour les effectifs, l’investissement pour un train neuf
varie en fonction de son environnement (voies routières ferroviaires
et fluviales, proximité des réseaux d’énergie et de fluides) et du
carnet de nuances envisagé.
Nota : on peut cependant fixer son coût à environ 1 000 F par tonne de capacité sur site
vierge.
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