Brevet FR2455927A1 — publié le 19801205

L'invention concerne la fabrication de tubes sans soudure. Actuellement, la machine la plus performante à cet effet est le laminoir continu à cages multiples travaillant sur mandrin long. Partant d'une ébauche percée axialement, le laminoir continu délivre en sortie un tube de diamètre bien déterminé. Un laminoir finisseur à creux dit réducteur ou calibreur vient ensuite, d'une manière ajustable, réduire le diamètre du tube à une valeur désirée, choisie dans une gamme préétablie, qui se situe en dessous du diamètre en sortie du train continu. Diverses raisons, dont l'amélioration des aciers, rendent souhaitable la fabrication de tubes de grand diamètre sous faible épaisseur. Or, plus le diamètre augmente, plus il est difficile de réaliser des tubes minces de qualité, et plus grand est le coût des outillages nécessaires (mandrins en particulier). De surcroît, l'investissement lié à un laminoir continu à cages multiples augmente très vite avec le plus grand diamètre de tube qu'il doit fournir. L'obtention de gros tubes minces soulève donc de sérieuses difficultés, que la présente invention vient réduire. L'installation proposée comporte, entre le train continu et le laminoir finisseur, un dispositif expanseur comprenant deux disques tournant en sens inverse de part et d'autre d'un mandrin conique mobile en rotation, les faces en regard des deux disques étant conformées pour constituer, à l'égard de l'ébauche de tube venant du laminoir continu, un convergent-divergent, dont la partie divergente avoisine de près le mandrin conique sur deux zones prédéterminées relatives à chacun des disques; les deux disques, excentrés de part et d'autre de l'axe de passage de l'ébauche de tube, sont entraînés de façon que, sur lesdites zones, leur vitesse périphérique soit en tous points sensiblement égale à la vitesse tangentielle du métal de l'ébauche de tube en cours de forgeage. Avantageusement, dans le convergent-divergent, le demiangle d'entrée est compris entre 1,50 et 30 environ, et le demiangle de sortie est compris entre 4 et 90 environ. Dans un mode de réalisation préférentiel, les axes de rotation des deux disques sont situés dans des plans sensiblement parallèles entre eux et à l'axe de passage du tube, également décalés de part et d'autre de l'axe de passage du tube, ces axes étant également inclinés vers'l'aval vis à vis de la perpendiculaire à l'axe de passage du tube. En pratique, l'angle d'inclinaison vers l'aval est voisin de 60. Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif expanseur comporte aussi deux guides en fonte, placés entre les deux disques, de part et d'autre de la tête de mandrin. De son côté, l'expanseur à disques est lui-même précédé d'un dispositif de réchauffage à une température voisine de 950 C. L'invention vise également, sous une autre forme, un procédé de fabrication de tubes sans soudure, dans lequel - on perce axialement un lingot, pour obtenir une ébauche de tube; - ensuite, on soumet cette ébauche de tube à un laminage continu et progressif dans un laminoir à cages multiples; - l'ébauche de tube ainsi laminée est ultérieurement soumise à une opération de finissage à creux, dans un laminoir dit ca- libreur ou réducteur, suivant que la réduction de diamètre est faible ou importante. Dans le procédé selon l'invention, entre le laminage continu et le finissage à creux, l'ébauche du tube est soumise à une expansion radiale à section constante, cette expansion étant faible et correspondant à une faible diminution d'épaisseur, tandis que le forgeage produisant ladite expansion radiale est progressif et s'effectue pratiquement sans torsion significative du métal. Ces fonctions sont réalisées par l'expanseur à disques selon la présente invention, en particulier à cause de l'absence de glissement périphérique des disques et du mandrin sur l'é- bauche de tube. Le procédé précité s'accompagne avantageusement d'un ré chauffage-de l'ébauche des tubes en sortie de laminage continu à une température voisine de 95O0C. Selon un autre aspect de l'invention, l'augmentation de diamètre est de l'ordre de 30, pouvant varier entre 20% environ et 40% environ; la diminution d'épaisseur, ou "épaisseur forgée" est elle aussi d'environ 30%, et sensiblement inverse de l'augmentation du diamètre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux des-sins annexés, donnés pour illustrer à titre non limitatif un mode de réalisation préférentiel de l'invention, et sur lesquels : - la figure 1 illustre une installation classique de fabrication de tubes sans soudure; - la figure 2 illustre une installation de fabrication de tubes sans soudure selon l'invention, et - les figures 3 et 4 illustrent schématiquement respectivement en vue latérale et en vue de dessus, l'expanseur à disques selon l'invention. Les installations des figures 1 et 2 ont en commun le four de réchauffage 1 à environ 1 3000C, le perceur 2 (laminoirperceur oblique à deux ou trois cylindres par exemple), le laminoir continu à cages multiples 3, et, en aval, un laminoir finisseur à creux 6 (calibreur ou réducteur, suivant que la réduction de diamètre est faible ou importante) qui donne le produit fini. Avec une installation classique selon la figure 1, il est nécessaire que le laminoir continu 3 soit pre*tru pour fournir le diamètre maximal de la gamme de tubes à fabriquer, les autres diamètres étant obtenus par réduction. Outre ses difficultés techniques de réalisation, un tel laminoir continu représente aussi un investissement considérable, qui croît très vite avec le diamètre maximal du tube en sortie. Par ailleurs, seule une faible, fraction de la production correspond effectivement à des tubes de grand diamètre. Ainsi, par exemple, si l'on fait passer le diamètre maximal de tube de 178 mm à 244 mm, l'investissement en machines et en outillage (mandrins notamment) est presque doublé, alors que la gamme de diamètre 178-244 mm ne représente la plupart du temps qu'environ 15% de la production globale. Ayant observé ce problème, la demanderesse a trouvé une solution qui permet de conserver les avantages techniques des laminoirs continus, tout en réduisant substantiellement les difficultés relevées ci-dessus. L'installation selon l'invention (figure 2) comporte entre le laminoir continu et le laminoir finisseur, un expanseur à disques 5, avantageusement précédé d'un dispositif réchauffeur à 9509C environ (en particulier si les tubes sont stockés après leur sortie du laminoir continu). La température de réchauffage peut varier entre environ 9000C' et environ 1 0000C. Comme le montrent les figures 3 et 4, l'expanseur se compose de deux disques 51 et 52, entraînés en rotation en sens inverse autour de deux axes horizontaux dont les traces sur la figure 3 sont b et a, respectivement. Entre les deux disques est engagé un mandrin à tête conique 53, muni d'une barre portemandrin rotative 54 immobilisée axialement. Toujours entre les deux disques, au-dessus et au-dessous du mandrin, sont disposés deux guides en fonte ou sabots 55 et 56, qui sont de forme plate ou arrondie dans une section droite du tube. Longitudinalement, les sabots s'évasent le long du mandrin, entre deux zones d'extrémité cylindriques. Les axes d'entraînement des disques forment, avec un plan perpendiculaire à l'axe de passage du tube un angle assez faible, voisin de 60, ét en règle générale inférieur à 100 environ. La figure 4 montre le profil des disques dans un plan horizontal passant par leur centre (les disques n'étant pas vus en coupe). Côté tube, le disque 51 comporte une zone centrale 510 perpendiculaire à son axe, suivie d'une zone 511 formant un premier angle i 1 avec la zone centrale .510, puis d'une zone 512 formant avec cette même zone centrale 510 un second angle En amont de l'expanseur, le tube d'entrée T est supporté e par un guide amont convenable, tel qu'un tube s'adaptant à son diamètre extérieur. On note zone le diamètre du tube à l'entrée, et e son épaisseur. Le tube s'engage entre les zones 511 et o '521 des deux disques, cet engagement étant facilité par l'ex- trémité amont des guides 55 et 56. Le demi-angle d'entrée du tube est noté e . Au niveau de la transition entre les zones e 511, 521 et 512 522, le tube aborde la périphérie conique de la tête de mandrin 53, qu'il suit sur une longueur 1.Peu après, le tube quitte les zones 512 et 522, pour prendre le diamètre plus et l'épaisseur es du tube de sortie Ts Le demi-angle de sortie est noté Gs. On voit que le tube est soumis à un profil convergentdivergent propre à l'entraînement hélicoïdal accompagnant un forgeage du métal. Plus précisément, les axes (a et b) des deux disques sont équidistants du plan horizontal contenant l'axe de passage du tube. Il s'ensuit, dans les zones allongées AB situées de part et d'autre de la tête de mandrin (figure 3), un couple exercé sur le métal du tube. On note RA et Rn les rayons des disques aux deux points respectifs A et B. Selon une caractéristique importante de l'invention, les rayons RA et Rn et les points de début et de fin de forgeage A et B (définis aussi par leur distance 1) sont choisis de sorte que la vitesse périphérique des disques soit en tous points de la zone AB égale à la vitesse tangentielle du produit en cours de forgeage sur le mandrin tournant : de cette manière, il n'y a pratiquement pas de glissement périphérique du tube sur le mandrin, donc pas de torsion du métal, et l'on peut utiliser sans risque des zones AB de longueur l importante, tout en obtenant un forgeage très progressif de l'épaisseur et une très bonne régularisation de celle-ci.Ainsi, le forgeage de 1'é- paisseur du tube, sur un mandrin court conique fixé à l'extrémité d'une barre tournante, s'accompagne de l'expansion naturelle de la section du tube, sans variation de la surface de cette section. Puisqu'il n'y a pas de variation de section, le tube obtenu en sortie a conservé la longueur du tube à l'entrée. En sortie de l'expanseur sont prévus des moyens de guidage de l'é- bauche de tube ainsi que de la barre porte-mandrin. Enfin, l'ébauche de tube est amenée à sa dimension définitive par une opération classique de calibrage et/ou de réduction (voir figure 2), et éventuellement un lissage. Ainsi, par exemple, pour un train continu fournissant des tubes de diamètre 140 mm, on utilisera directement ceux-ci pour la gamme de 114 à 140 mm. Un expanseur selon l'invention permet de faire passer le diamètre à 180 mm, pour obtenir la gamme 140-180 mm. En ce qui concerne l'épaisseur, elle est réglée de manière connue dans le train de laminage continu sur cages multiples. Dans l'expanseur selon l'invention, on modifie la conicité du mandrin en fonction de l'épaisseur du tube. On a indiqué précédemment que le forgeage réalisé par chacun des disques s'accompagne d'un mouvement hélicoldal du métal du tube. Pour une température de réchauffage voisine dé 9500 la demanderesse considère actuellement comme préférable que la distance AB = 1 comporte 4 pas de ce mouvement hélicoi- dals soit 8 pas imbriqués si l'on considère qu'il y a deux disques.De son côté, le demi-angle d'entrée s'établit préférentiellement entre 1,5 et 30, et le demi-angle de sortie entre 4 et 90 Sn opérant à section constante, avec une faible expansion, et une faible diminution d'épaisseur, on conserve les caractéristiques géométriques du tube provenant du laminoir continu, et en particulier sa régularité d'épaisseur selon chacune de ses génératrices, ce qui convient particulièrement bien pour terminer l'élaboration du tube par un laminoir calibreur ou réducteur. Bien que l'apport de la demanderesse soit essentiellement d'ordre expérimental, la condition de non-glissement peut aussi s'écrire, d'une manière approximative, sous forme mathématique. A l'examen de la figure 3, on peut écrire, en première approximation : h = RA l où 1 représente la distance Â33. De son côté, la condition de mon-glissement s'écrit, également en première approximation RA = 1. R1 R2 - R1 où R1 et R2 désignent les rayons du mandrin en A et B. pratique la longueur l sera généralement au moins égale à 150 mm. On donnera maintenant un exemple de réalisation de tubes avec un expanseur selon la présente invention. xEMPL33 diamètre tube à l'entrée 185 mm R0 épaisseur tube à l'entrée 7,83 mm Section du tube 4358 mm2 diamètre des disques 1,880 m Vitesse de rotation des disques 1,6 t. S 1 rayon des ss en A RA = 600 mm disques en B RB = 840 mm distance AB 1 = 240 mm demi-angle d'entrée - 1,50 demi-angle de sortie 70 Vitesse tangentielle en A 6 m. S 1 " " " B 8,4 m.S décentrement des disques + 70 mm rayons du en A R1 = 80 mm mandrin en B R2 = 112 mm pas d'avance en A 66 mm t, 3 59 mm inclinaison de la I en A 6,70 tangente à l'hélice en B 4,80 vitesse de rotation en A 10,9 t . S-1 de de l'ébauche en B 10,6 t . S-1 vitesse moyenne d'avance de 673 mm. l'ébauche de tube diamètre tube en sortie 255 mm e épaisseur tube en sortie 5,56 mm s 2 section du tube 4357 mm2 En pratique, il est généralement convenable que la restriction du convergent-divergent coincide sensiblement avec l'endroit où l'ébauche de tube aborde la tete de mandrin. La longueur du convergent est choisie compte tenu des impératifs de forgeage, ainsi que des tolérances quant au diamètre de l'ébauche de tube à l'entrée de l'expanseur. Le divergent se prolonge un peu au delà des zones AB, pour permettre au tube de recouvrer une forme parfaitement cylindrique. (Comme le montre la figure 3, une légère ovalisation du tube se produit dans un plan perpendiculaire à celui des deux zones AB). Pour les valeurs indiquées dans l'exemple ci-dessus, le divergent se prolonge d'environ 100 mm au delà du point B, ce qui correspond bien au diamètre extérieur du disque égal à 1,880 m. On notera aussi que, du fait de cette ovalisation, l'ébauche de tube a déjà atteint au point B la circonférence correspondant au diamètre 255 mm, et l'épaisseur de 5,56 mm. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et s'étend à toute variante conforme à son esprit. RERTNDICATIONS 1) Installation de fabrication de tubes sans soudure, du type comprenant un train de laminage continu à cages multiples, suivi d'un laminoir finisseur à creux du type calibreur ou réducteur, caractérisée par le fait qu'elle comporte, entre le train continu et le laminoir finisseur, un dispositif expanseur comprenant deux disques tournant en sens inverse de part et d'autre d'un mandrin conique mobile en rotation, les faces en regard des deux disques étant conformées pour constituer à l'égard de l'ébauche de tube venant du laminoir continu, un convergent-divergent dont la partie divergente avoisine de près le mandrin conique sur deux zones prédéterminées relatives à chacun des disques, et par le fait que les deux disques, excentrés de part et d'autre de l'axe de passage de l'ébauche de tube, sont entraînés de façon que, sur lesdites zones, leur vitesse périphérique soit en tous points sensiblement égale à la vitesse tangentielle du métal de l'ébauche de tube en cours de forgeage. 2) Installation de fabrication de tubes sans soudure, selon la revendication 1, caractérisée par le fait que, dans le convergent-divergent, le demi-angle d'entrée est compris entre 1,50 et 30 environ, et le demi-angle de sortie est compris entre 4 et 90 environ. 3) Installation de fabrication de tubes sans soudure, selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que les axes de rotation des deux disques sont situés dans des plans sensiblement parallèles entre eux et à l'axe de passage du tube, également décalés de part et d'autre de l'axe de passage du tube, ces axes étant également inclinés vers l'aval vis à vis de la perpendiculaire à l'axe de passage du tube. 4) Installation de fabrication de tubes sans soudure, selon la revendication 3, caractérisée par le fait que l'angle d'inclinaison vers l'aval est voisin de 60. 5) Installation de fabrication de tubes sans soudure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que le dispositif expanseur comporte aussi deux guides en fonte, placés entre les deux disques, de part et d'autre de la tête de mandrin. 6) Installation de fabrication de tubes sans soudure selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que l'expanseur à disques est lui-même précédé d'un dispositif de réchauffage à une température voisine de 9500C. 7) Procédé de fabrication de tubes sans soudure, dans lequel on perce axialement un lingot, pour obtenir une ébauche de tube, on soumet ensuite cette ébauche de tube à un laminage continu et progressif dans un train laminoir à cages multiples, et l'ébauche de tube ainsi laminée est ultérieurement soumise à une opération de finissage à creux, caractérisé par le fait qu'entre le laminage continu et le finissage à creux, l'ébauche du tube est soumise à une expansion radiale à section constante, cette expansion étant faible et correspondant à une faible diminution d'épaisseur, tandis que le forgeage produisant ladite expansion radiale est progressif et s'effectue pratiquement sans torsion significative du métal. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'expansion est précédée d'un réchauffage de l'ébauche des tubes en sortie du laminage. 9) Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé par le fait que l'augmentation de diamètre est de l'ordre de 30 > la diminution d'épaisseur étant elle aussi d'environ 30%, et sensiblement inverse de l'augmentation du diamètre.