En raison des limitations liées aux conditions de fabrication des billettes et à la capacité d'allongement de la machine de perçage, les dimensions et la précision du tube brut après perçage ne répondent pas aux exigences de l'utilisateur. Un traitement 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.
1. Machine automatique à rouler les tubes
La machine à laminer les tubes automatique se compose de trois parties : la machine principale, l'avant et l'arrière. 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. Afin de faciliter le 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 à alésage circulaire. Le tube brut, provenant de la machine de perçage et de l'étirage, est laminé selon un système à alésage annulaire composé d'un alésage circulaire et d'une tête (conique ou sphérique). Le laminage s'effectue généralement en deux passes. Après chaque passe, le cylindre de travail supérieur et le cylindre de retour inférieur sont relevés à une certaine hauteur, et le tube brut est renvoyé à l'avant par le cylindre de retour. Le tube laminé est alors remis en position initiale, pivoté de 90°, puis une seconde passe est effectuée avec le même type d'alésage. Le taux de déformation de chaque passe est ajusté par la différence de diamètre des têtes de laminage. Une fois ramené à l'avant de la machine, le tube d'acier laminé est déplacé horizontalement vers la dresseuse pour être aplani. Son processus de déformation comprend également trois étapes : aplatissement, réduction du diamètre et réduction de l'épaisseur. L'avantage de la lamineuse automatique est la flexibilité d'ajustement des spécifications de production. Concernant le type d'acier, elle est compatible avec une large gamme : aciers à faible et moyen carbone, aciers faiblement alliés, aciers inoxydables, etc. Elle convient aux petites séries et à la production de variétés diverses. Ses 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 passage à la dresseuse, ainsi qu'une faible longueur de tube brut, ce qui affecte le rendement. Enfin, sa productivité est faible (cadence de laminage lente, malgré un poids réduit).
2. Laminoir à tubes Accu-Roll
Il s'agit d'un laminoir horizontal à deux cylindres inclinés et à long mandrin, équipé de disques de guidage actifs. Sa structure présente les caractéristiques suivantes : les deux cylindres sont coniques. À l'instar des machines de perçage à cylindres coniques, le laminage comporte des angles d'alimentation et de laminage, ce qui permet une augmentation progressive du diamètre des cylindres dans le sens du laminage. Ceci contribue à réduire le glissement, à favoriser l'allongement longitudinal du métal et à limiter les déformations de torsion. Deux disques de guidage actifs de grand diamètre sont utilisés. Le laminoir fonctionne en mode mandrin limité. Les cylindres sont dépourvus d'épaulement. Il semblerait que cette conception permette de surmonter le problème de réduction d'épaisseur concentrée au niveau de l'épaulement, caractéristique des laminoirs à rouleaux à profil bas (ASSEL), qui réduit la durée de vie des cylindres et l'uniformité de l'épaisseur, améliorant ainsi la précision de l'épaisseur des tubes bruts.
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 processus de perforation de l'unité de fonçage initiale se divise en deux étapes : la perforation hydraulique, qui utilise une presse hydraulique verticale pour comprimer le lingot d'acier placé dans le moule afin d'obtenir un tube ébauché à fond concave ; le tube ébauché est ensuite extrait par une grue, déposé sur une longue tige de poussée. Cette tige pousse le tube ébauché 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 poussée. 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 de paroi 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, dite CPE, consiste à produire des tubes bruts par laminage oblique et perforation, puis à les alimenter en tubes bruts par extrusion à chaud. 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 extrusion à chaud.
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, pouvant atteindre 10 à 17. Par conséquent, le nombre d'équipements et d'outils nécessaires à la méthode de levage pour le laminage de produits similaires peut être réduit.
3) La gamme de modèles et de spécifications est vaste. L'inconvénient est que la précision de l'épaisseur des parois n'est pas élevée et que les surfaces intérieure et extérieure sont sujettes aux rayures.
4. Extrusion de tubes en acier
La méthode dite d'extrusion consiste à placer la 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. 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 l'extrusion directe et l'extrusion inverse. L'extrusion directe exerce sa force dans le même sens que l'écoulement du métal, tandis que l'extrusion inverse exerce sa force dans le même sens. L'extrusion inverse présente les avantages suivants : faible force d'extrusion, taux d'extrusion élevé, vitesse d'extrusion rapide, température d'extrusion réduite, conditions d'extrusion améliorées, possibilité d'obtenir facilement une extrusion isotherme/isobare/isovitesse, meilleures performances structurelles et une précision dimensionnelle accrue du produit, réduction de la surpression métallique en fin d'extrusion et amélioration du taux de récupération du métal. Cependant, son fonctionnement est relativement complexe et la section transversale du produit est limitée par le diamètre de la barre d'extrusion. L'application de la technologie d'extrusion des métaux dans l'industrie remonte à plus d'un siècle, mais l'utilisation de l'extrusion à chaud pour la production d'acier s'est progressivement développée après l'invention par Seshi d'un lubrifiant d'extrusion en verre en 1941. En particulier, le développement du chauffage sans oxydation, des technologies d'extrusion à grande vitesse, des matériaux de moules et des techniques de réduction de tension a rendu la production par extrusion à chaud de tubes en acier sans soudure plus économique et rationnelle, améliorant considérablement le rendement et la qualité, et élargissant la gamme de produits, ce qui a suscité l'intérêt de nombreux pays. Actuellement, les tubes en acier produits par extrusion présentent généralement les caractéristiques suivantes : diamètre extérieur : 18,4 à 340 mm, épaisseur de paroi minimale : 2 mm, longueur : environ 15 m (jusqu'à 60 m pour les tubes de petit diamètre). La capacité des extrudeuses est généralement de 2 000 à 4 000 tonnes, avec une capacité maximale de 12 000 tonnes.
Comparée aux autres méthodes de laminage à chaud, la production de tubes en acier sans soudure extrudés présente les avantages suivants :
1) Moins d'étapes de traitement, ce qui permet de réaliser des économies d'investissement pour un même rendement.
2) Étant donné que le métal extrudé est dans un état de contrainte de compression triaxiale, il peut produire des matériaux difficiles ou impossibles à laminer et à forger, tels que les alliages à base de nickel.
3) En raison de la grande quantité de déformation du métal pendant l'extrusion (taux d'extrusion élevé) et de la déformation complète effectuée en très peu de temps, la structure du produit est uniforme et les performances sont bonnes.
4) Il y a peu de défauts sur les surfaces internes et externes, et la précision des dimensions géométriques est élevée.
5) L'organisation de production est flexible et adaptée à la production en petits lots et à la production multivariétés.
6) Il peut produire des tuyaux et des tuyaux composites bimétalliques avec des sections complexes.
Les inconvénients sont les suivants :
1) Des exigences élevées en matière de lubrifiants et de chauffage augmentent les coûts de production.
2) De plus, la durée de vie de l'outil est courte, la consommation est importante et le prix est élevé.
3) Le taux de rendement est faible, ce qui réduit la compétitivité du produit.
5. Laminoir à tubes à cycle (laminoir à tubes Pilger)
Le laminoir à tubes à cycle 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 opposé à 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 à cycle 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, combinées, permettent de soumettre la paroi à de multiples déformations cumulatives, aboutissant à une réduction et un allongement 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.
6. Dilatation à chaud des tubes en acier
Le diamètre extérieur maximal des tubes en acier finis produits par l'unité de laminage à chaud de tubes sans soudure est inférieur à 530 mm pour l'unité de laminage automatique, à 460 mm pour l'unité de laminage continu et à 660 mm pour la grande machine Pilger. Pour les tubes de plus grand diamètre, outre le gonflage et l'extrusion, on peut recourir à l'expansion à chaud. Cette méthode permet actuellement de produire des tubes sans soudure à paroi mince d'un diamètre extérieur maximal de 1 500 mm. Il existe trois procédés d'expansion à chaud des tubes en acier : le laminage oblique, l'étirage et le poussage. Ces trois procédés sont apparus dans les années 1930. Le laminage oblique et l'étirage nécessitent le chauffage complet du tube avant déformation, contrairement au poussage.
machine d'expansion à rouleaux obliques
Le procédé d'expansion par laminage oblique consiste à acheminer le tube chauffé 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. Un mandrin participe à la déformation dans la zone d'expansion, et le tube d'acier y 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 du mandrin est supportée par une tige de poussée, qui peut être placée à l'entrée ou à la sortie. L'expansion par laminage oblique permet de produire des tubes d'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 la présence de marques spirales résiduelles sur les surfaces intérieure et extérieure du tube, ce qui en diminue la qualité. C'est pourquoi l'utilisation d'une machine de planage et d'une machine de calibrage est nécessaire. Ce type de machine d'expansion nécessite un équipement volumineux, engendre des coûts d'investissement élevés et impose certaines restrictions sur les variétés, et ne peut pas produire de tuyaux 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'augmentation de diamètre 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 comprend les étapes suivantes : chauffage du tube, 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 le diamètre maximal des tubes pouvant être produits est de 750 mm. Le principe de fonctionnement de l'étirage-expansion à chaud est le suivant : un groupe (généralement de 1 à 4) de mandrins de diamètre croissant est inséré et traverse toute la longueur de l'alésage du tube, ce qui permet d'augmenter son diamètre, de réduire son épaisseur et de raccourcir légèrement sa longueur. 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, qui traverse successivement un mandrin conique fixe axialement, de l'extrémité du tube jusqu'à l'expansion. Lorsqu'une extrémité du tube est poussée dans le mandrin, un nouveau tube à traiter est inséré derrière. Après le retour de la tête de poussée, celle-ci continue de pousser l'extrémité du nouveau tube. L'extrémité de ce dernier pousse alors l'extrémité du tube précédent à travers le mandrin, 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 résident dans une légère baisse de la régularité des performances des tubes en acier dans le sens de la longueur et une faible productivité. Grâce à son faible coût d'investissement, de nombreuses installations ont été récemment construites dans le nord du pays. Le procédé d'expansion par poussée supérieure permet actuellement de produire des tubes en acier d'une épaisseur de paroi de 6 à 30 mm et d'un diamètre extérieur maximal de 860 mm.
Date de publication : 30 septembre 2024