En raison des limitations liées aux conditions de fabrication des billettes et à la capacité d'extension de la machine de perçage, les dimensions et la précision du tube brut après perforation ne répondent pas aux exigences de l'utilisateur. Un usinage ultérieur est donc nécessaire. Il existe de nombreuses méthodes de traitement à chaud et d'allongement des tubes en acier sans soudure. Outre les trois types de machines mentionnés précédemment, les méthodes suivantes sont couramment utilisées.
5.4.1 Machine automatique à rouler les tubes
La machine à laminer automatique pour tubes a été inventée par le Suisse Stephen en 1903, et les premières unités ont été mises en service en 1906. Avant les années 1980, elle constituait l'une des principales méthodes de laminage à chaud des tubes en acier sans soudure. En raison des limitations liées à la longueur des tubes laminés, à la précision de l'épaisseur des parois, etc., elle a été progressivement remplacée par des machines à laminer en continu. Actuellement, la meilleure machine à laminer automatique pour tubes de Chine est l'unité 400 de Baotou. À l'exception de quelques machines encore en service dans l'ex-Union soviétique et en Europe de l'Est, la plupart des autres ont été démantelées. La machine à laminer automatique pour tubes se compose de trois parties : la machine principale, la table d'entrée et la table de sortie. La machine principale est un laminoir longitudinal irréversible à deux cylindres, caractérisé par une paire de cylindres de retour à rotation inverse à grande vitesse, installés derrière les cylindres de travail. De plus, pour répondre aux exigences de retour des tubes en acier, un mécanisme de levage rapide est prévu pour le cylindre de travail supérieur et le cylindre de retour inférieur. Le cylindre de travail est de type cylindrique. Le tube brut issu de la machine de perçage et de l'étirage est laminé selon un procédé à trous annulaires, composé d'un trou rond et d'une tête (conique ou sphérique). Le laminage s'effectue généralement en deux passes. Après chaque passe, le rouleau de travail supérieur et le rouleau de retour inférieur sont relevés, et le tube brut est ramené à l'avant par le rouleau de retour. Le tube laminé est alors remis en position initiale, pivoté de 90°, puis laminé une seconde fois avec le même type de trou. Le taux de déformation de chaque passe est ajusté en fonction de la différence de diamètre de la tête. Une fois ramené à l'avant, le tube est déplacé horizontalement vers la dresseuse pour être aplani. Son processus de déformation comprend également trois étapes : aplanissement, réduction de diamètre et réduction d'épaisseur.
L'avantage des laminoirs automatiques à tubes réside dans la flexibilité des spécifications de production. Concernant les types d'acier, la gamme applicable est vaste : aciers à faible et moyen carbone, aciers faiblement alliés, aciers inoxydables, etc. Ils conviennent aux petites séries et à la production de variétés diverses. Leurs inconvénients sont une faible capacité de déformation (l'allongement total en deux passes est inférieur à 2,5), une épaisseur de paroi irrégulière et des rayures internes fréquentes nécessitant un planage, ainsi qu'une longueur réduite des tubes bruts, ce qui limite le rendement. Enfin, leur productivité est faible (cadence de laminage lente, mais tubes légers).
5.4.2 Laminoir à tubes Accu-Roll
Le laminoir Accu-Roll a été introduit à Yantai, Chengdu et dans d'autres villes de Chine au début des années 1990. Très populaire à l'époque, il était en passe de remplacer d'autres unités de laminage oblique et continu. Cependant, des essais pratiques ont révélé que la faible longueur des tubes bruts laminés limitait la production de tubes trois fois plus longs pour certaines spécifications, et que les profondes marques en spirale présentes à la surface des tubes bruts lors du laminage de tubes à paroi mince nuisaient à la qualité esthétique des tubes en acier. À ce jour, ce type de laminoir n'est plus utilisé qu'en Chine, et récemment, quelques entreprises privées ont construit de petites unités. Aucune construction de ce type de laminoir n'a été recensée à l'étranger. Ce type de machine n'est pas adapté à la production de tubes en acier sans soudure de grand et moyen diamètre. Il s'agit d'un laminoir oblique horizontal à deux rouleaux et à mandrin long, équipé d'un guide actif.
La structure du moulin présente les caractéristiques suivantes :
Les deux rouleaux sont coniques. À l'instar de la machine à percer à rouleaux coniques, elle présente un angle d'alimentation et un angle de laminage, de sorte que le diamètre du rouleau augmente progressivement dans le sens du laminage, ce qui contribue à réduire le glissement, à favoriser l'allongement longitudinal du métal et à limiter la déformation torsionnelle supplémentaire.
Deux disques de guidage actifs de grand diamètre sont utilisés.
Le mode de fonctionnement à mandrin limité est adopté.
Le type de rouleau sans épaulement est adopté. Il est indiqué que cela résout le problème de la réduction d'épaisseur de paroi due à l'épaulement du rouleau, qui diminue la durée de vie de ce dernier et l'uniformité de l'épaisseur, améliorant ainsi la précision de l'épaisseur de paroi du tube brut.
5.4.3 Machine de fonçage de tuyaux
La méthode de fonçage de tubes pour la production de tubes en acier sans soudure a été proposée par l'Allemand Heinrich Erhard dès 1892. Le procédé de fonçage des premières unités de fonçage se divise en deux étapes : le fonçage hydraulique. Une presse hydraulique verticale comprime le lingot d'acier placé dans le moule pour former une ébauche de tube à fond concave. Cette ébauche est ensuite extraite par une grue, déposée sur un long mandrin. La pression exercée sur le mandrin fait passer l'ébauche à travers une série de filières annulaires de diamètre décroissant, permettant ainsi la réduction du diamètre, l'amincissement de l'épaisseur et l'allongement du tube. La force de déformation est concentrée à l'extrémité de la tige de fonçage. Après le fonçage, la tige est retirée et le fond concave est découpé. Cette méthode présente l'inconvénient d'une faible productivité, d'une épaisseur d'épaisseur très irrégulière et d'un rapport longueur/diamètre (L/D) limité. Actuellement, elle est la seule utilisée pour la production de tubes en acier sans soudure de grand diamètre (400 à 1 400 m). Une autre méthode, appelée méthode CPE, utilise le laminage oblique et la perforation pour produire des tubes bruts. Le rétrécissement d'une extrémité de ces tubes bruts permet d'obtenir des tubes destinés à la machine de fonçage. Ce procédé permet d'améliorer la production et la qualité des produits, et de dynamiser la fabrication de tubes en acier sans soudure de petit diamètre par fonçage.
Les avantages de la méthode de levage sont les suivants :
1) Faible investissement, équipements et outils simples, et faible coût de production.
2) L'extension de l'unité de levage est importante, jusqu'à 10-17. Par conséquent, le nombre d'équipements et d'outils nécessaires pour rouler des produits similaires par la méthode de levage peut être moindre.
3) Une large gamme de variétés et de spécifications.
L'inconvénient est que la précision de l'épaisseur de paroi n'est pas élevée et que des défauts de type rayure sont susceptibles d'apparaître sur les surfaces intérieure et extérieure.
5.4.4 Tube en acier extrudé
La méthode dite d'extrusion consiste à placer une billette métallique dans un conteneur fermé composé d'un cylindre d'extrusion, d'une filière et d'une tige d'extrusion, puis à appliquer une pression sur la tige pour forcer le métal à s'écouler par l'orifice de la filière et obtenir ainsi une forme plastique métallique. Ce procédé de fabrication de tubes en acier sans soudure est utilisé depuis longtemps. Selon le sens de la force exercée par la tige d'extrusion par rapport au sens d'écoulement du métal, on distingue deux types d'extrusion : l'extrusion directe et l'extrusion inverse. L'extrusion directe exerce sa force dans le même sens que l'écoulement du métal, tandis que dans l'extrusion inverse, c'est le contraire. L'extrusion inverse présente les avantages suivants : faible force d'extrusion, taux d'extrusion élevé, vitesse d'extrusion rapide, température d'extrusion plus basse, conditions d'extrusion améliorées, possibilité d'obtenir facilement une extrusion isotherme/isobare/à vitesse constante, meilleures performances structurelles et une meilleure précision dimensionnelle du produit, réduction de la surpression métallique en fin d'extrusion et augmentation du taux de récupération du métal. Cependant, son fonctionnement est relativement peu pratique, et la taille de la section transversale du produit est limitée par la taille de la tige d'extrusion.
L'application de la technologie d'extrusion des métaux dans l'industrie remonte à plus de 100 ans, mais l'utilisation de la technologie d'extrusion à chaud dans la production d'acier s'est progressivement développée après l'invention par « Seshi » du lubrifiant d'extrusion en verre en 1941. En particulier, le développement du chauffage non oxydant, de la technologie d'extrusion à grande vitesse, des matériaux de moules et de la technologie de réduction de tension a rendu la production par extrusion à chaud de tubes en acier sans soudure plus économique et raisonnable, améliorant considérablement le rendement et la qualité, et élargissant encore la gamme de produits, attirant ainsi l'attention de divers pays.
Actuellement, la gamme de produits pour les tubes en acier extrudés est généralement la suivante : diamètre extérieur : 18,4 à 340 mm, épaisseur de paroi minimale : 2 mm, longueur : environ 15 m (les tubes de petit diamètre peuvent atteindre 60 m). La capacité des extrudeuses est généralement de 2 000 à 4 000 tonnes, et peut atteindre 12 000 tonnes.
Comparée aux autres méthodes de laminage à chaud, la production de tubes en acier sans soudure extrudés présente les avantages suivants :
Moins d'étapes de traitement, ce qui peut permettre de réaliser des économies d'investissement pour un même rendement.
Du fait que le métal extrudé se trouve dans un état de contrainte de compression tridimensionnel, il peut produire des matériaux difficiles voire impossibles à laminer et à forger, tels que les alliages à base de nickel.
Grâce à l'importante déformation du métal lors de l'extrusion (taux d'extrusion élevé) et à la réalisation complète de cette déformation en un temps très court, le produit présente une structure uniforme et de bonnes performances.
Les défauts sont peu nombreux sur les surfaces internes et externes, et la précision des dimensions géométriques est élevée.
L'organisation de la production est flexible et adaptée à la production en petits lots et à la production multivariétale.
Elle peut produire des tuyaux et des tuyaux composites bimétalliques à sections complexes.
Les inconvénients sont les suivants :
1) Des exigences élevées en matière de lubrifiants et de chauffage, ce qui augmente les coûts de production.
2) Outre une faible durée de vie des outils, une consommation importante et des prix élevés.
3) Le taux de rendement est faible, ce qui réduit la compétitivité du produit.
5.4.5 Laminoir à tubes à cycle (laminoir à tubes Pilger)
Le laminoir à tubes cyclique a été mis en production industrielle en 1990. Il s'agit d'un laminoir à deux cylindres à un seul châssis. Chaque cylindre est percé d'un trou à section variable. Les deux cylindres tournent en sens inverse et le tube brut est alimenté dans le sens inverse de leur rotation. Chaque cylindre effectue une rotation complète et pousse le tube brut, réduisant ainsi son diamètre et son épaisseur. Le tube est ensuite étiré dans le trou pour achever le laminage d'une section. Le tube brut est alors réintroduit pour un nouveau laminage. Ce processus de laminage complet nécessite de nombreux allers-retours dans le trou, d'où l'appellation de laminoir à tubes périodique, également connu sous le nom de laminoir Pilger. Le tube est traité périodiquement par le trou à section variable du cylindre. L'alimentation et la rotation du tube sont combinées pour induire de multiples déformations cumulatives de la paroi, permettant ainsi une réduction et un allongement plus importants.
Les caractéristiques de cette méthode de production sont les suivantes :
1) Il est plus adapté à la production de tubes à parois épaisses, et son épaisseur de paroi peut atteindre 60 à 120 mm ;
2) La gamme d'aciers transformés est relativement large. Grâce à sa méthode de déformation combinant forgeage et laminage, elle permet de produire des tubes en métaux peu plastiques et difficiles à déformer, et les propriétés mécaniques de ces tubes sont excellentes.
3) La longueur du tube en acier laminé est importante, jusqu'à 35 m.
4) La productivité du laminoir est faible, généralement de 60 à 80 %, donc la production est faible ; par conséquent, une machine de perçage doit être équipée de deux laminoirs à tubes périodiques pour équilibrer.
5) La queue ne peut pas être traitée, ce qui entraîne d'importantes pertes de coupe et un faible taux de rendement.
6) Mauvaise qualité de surface et épaisseur de paroi très irrégulière.
7) Forte consommation d'outils, généralement de 9 à 35 kg/t.
5.4.6 Dilatation à chaud des tubes en acier
Le diamètre extérieur maximal des tubes en acier finis, produits par les unités de laminage à chaud de tubes sans soudure, est inférieur à 530 mm pour les unités de laminage automatique, à 460 mm pour les unités de laminage continu et à 660 mm pour les pieux de grande dimension. Lorsqu'un tube en acier de plus grand diamètre est requis, outre le procédé de fonçage et le procédé d'extrusion, le procédé d'expansion à chaud peut être utilisé. Ce procédé permet actuellement de produire des tubes à paroi mince d'un diamètre extérieur maximal de 1 500 mm pour les tubes en acier sans soudure.
Il existe trois méthodes de dilatation à chaud des tubes en acier : le laminage oblique, l’étirage et le cintrage. Ces trois méthodes sont apparues dans les années 1930. Le laminage oblique et l’étirage nécessitent le chauffage complet du tube avant toute déformation, contrairement au cintrage.
Machine d'expansion par roulement oblique :
Le procédé d'expansion par laminage oblique se déroule comme suit : le tube chauffé est acheminé vers la machine d'expansion par laminage oblique. Cette machine est composée de deux rouleaux de forme identique. Leurs axes forment un angle de 30° avec la ligne de laminage et ils sont entraînés indépendamment par des moteurs pour tourner dans le même sens. Dans la zone d'expansion, un mandrin participe à la déformation, et le tube d'acier décrit un mouvement spiralé. La paroi du tube est ainsi laminée par les rouleaux et le mandrin, ce qui augmente son diamètre et diminue son épaisseur. La force axiale exercée sur le mandrin est supportée par une tige de poussée, qui peut être placée à l'entrée ou à la sortie.
Le laminage oblique permet de produire des tubes en acier d'une épaisseur de paroi de 6 à 30 mm et d'un diamètre extérieur maximal de 710 mm. Son principal inconvénient réside dans les marques spirales résiduelles présentes sur les surfaces intérieure et extérieure du tube, ce qui nuit à la qualité de surface. C'est pourquoi l'installation d'une rectifieuse et d'une calibreuse est nécessaire. Ce type de machine de laminage est volumineux, engendre des coûts d'investissement élevés et présente certaines limitations quant aux types de tubes disponibles ; de plus, il ne permet pas la production de tubes à parois épaisses.
Machine d'expansion de dessin :
L'étirage-expansion est une méthode de production à faible capacité, mais elle reste utilisée en raison de la simplicité de son équipement et de son procédé, ainsi que de sa facilité de mécanisation. La machine d'étirage-expansion peut être utilisée pour l'étirage à froid et à chaud. Lorsque l'expansion souhaitée est faible et que les propriétés physiques et mécaniques ainsi que la précision dimensionnelle du tube en acier doivent être améliorées, l'étirage à froid est privilégié. Le processus d'étirage à chaud des tubes en acier comprend les étapes suivantes : chauffage du matériau, expansion des extrémités, étirage, redressage, découpe des extrémités et contrôle. Le taux d'expansion à chaque étape de chauffage est de 60 à 70 %, et il est possible de produire des tubes en acier d'un diamètre maximal de 750 mm.
Le principe de fonctionnement principal de l'étirage à chaud est le suivant : à travers un groupe (généralement 1 à 4) de bouchons de diamètres progressivement croissants, insérer et traverser toute la longueur du trou intérieur du tube en acier, de sorte que le diamètre du tube en acier augmente, l'épaisseur de la paroi diminue et la longueur est légèrement raccourcie.
Les principaux outils de la machine d'étirage par expansion sont les mandrins d'expansion, les bouchons d'expansion et les tiges d'éjection. Ses avantages résident dans sa simplicité d'utilisation, sa facilité de prise en main et la grande variété de produits qu'elle permet de fabriquer, notamment des tubes en acier rectangulaires et de formes spéciales. Ses inconvénients sont un cycle de production long, une faible productivité et une forte consommation d'outillage et de métal.
Expandeur à poussée : Le principe de fonctionnement de l'expandeur à poussée consiste à placer le tube d'acier brut dans la bobine d'induction moyenne fréquence. Après chauffage par induction moyenne fréquence, le piston du vérin hydraulique ou la tête de poussée du treuil se déplace pour pousser l'extrémité du tube d'acier à travers la tige conique fixe axialement, de l'extrémité du tube jusqu'à l'expansion. Une fois l'extrémité du tube d'acier insérée dans la tige conique, un nouveau tube d'acier à traiter est placé derrière, et la tête de poussée revient en position initiale pour continuer à pousser l'extrémité de ce nouveau tube. L'extrémité du nouveau tube pousse alors l'extrémité du tube précédent à travers la tige conique, achevant ainsi l'expansion. Comme seule la partie déformée du tube est chauffée, ce dernier est facilement cintré, et l'épaisseur et la longueur du tube expansé sont limitées. Les avantages de l'expandeur à poussée sont un taux de récupération du métal élevé, une conception simple et une faible consommation d'énergie. Les inconvénients sont que la régularité des performances du tube en acier dans le sens de la longueur est légèrement inférieure à la normale et que l'efficacité de la production est faible.
Date de publication : 31 octobre 2024