Brevet FR2578768A1 — publié le 19860919

L'invention est relative à des frettes Se rou- leaux de coulée continue d'alliage d'aluminium,ces frettes présentant une durée de vie améliorée, par rapport aux fret- tes réalisées en aciers traditionnels, et conservant une bonne productivité à la machine de coulée. Dans la fabrication d'aluminium coulé en conti- nu, le métal fondu est directement coulé à une températu- re de 680 C environ;entre une paire de rouleaux refroidis tournant en sens contraires, qui remplissent la double fonc- tion de solidification du métal en bande et de laminage à chaud de ce métal. On conçoit que les cylindres ne sauraient tour- ner à une vitesse très grande puisque l'on doit laisser à l'alliage le temps de se solidifier au contact du rouleau et la possibilité de subir un certain laminage. Pour obtenir le maximum de productivité de l'ins- tallation, les rouleaux doivent être refroidis efficacement et posséder une bonne conductibilité thermique afin de fa- voriser l'évacuation des calories. Ces rouleaux sont réali- sés en deux parties: une âme centrale comportant des moyens de refroidissement et une frette qui est montée sur cette âme et vient directement au contact de l'aluminium coulé. Cette frette constitue la partie du rouleau rece- vant les sollicitations les plus intenses et, après un cer- tain nombre d'heures de fonctionnement, doit être révisée en raison des fissures d'origine thermique qui se sont dé- veloppées. La première caractéristique que l'on demande à un matériau, pour réaliser des frettes de machine de cou- lée continue, est une bonne conductibilité thermique. Ce- pendant, ces frettes sont soumises, en fonctionnement,à un certain nombre de contraintes, d'origine mécanique, à savoir: frettage, flexion, torsion. Ces contraintes im- posent un minimum de résistance mécanique et de ténacité. La sollicitation principale est le cyclage ther- mique qui entralne une fatigue plastique de la surface, l'amorçage et-la propagation d'un réseau de micro-fissures. Cette dégradation impose une remise en état périodique de la frette, opération qui consiste à éliminer, par usinage, l'épaisseur de métal d4térioré. Les aciers alliés eouramment utilisés jusqu'à présent pour la fabrication de ces frettes correspondaient à la composition pondérale suivante en %: C: 0,53 à 0,57; Mn: 0,70 à 0,90; Si: 0,20 à 0,40; Ni: 0,40 à 0,70; Cr: 0, 90 à 1,30; Mo: 0,40 à 0,60; V: 0,10 à 0,20 avec une teneur en S _ 0,020 et une teneur en P ú 0,020. Ces aciers privilégient les propriétés de conducti- bilité thermique et donc la productivité des installations, mais en contrepartie/ont une résistance limitée à la fissu- ration d'origine thermique, ce qui a pour conséquence une durée de fonctionnement plus courte nécessitant des réusina- ges plus fréquents et par conséquent une consommation plus importante de frettes. On connaît également des aciers pour frettes de cou- lée continue d'aluminium ayant la composition pondérale suivante en %: C: 0,53 à 0,58;Mn: 0,40 à 1; Si: 0,1 à 0,2; Ni: 0,45 à 0,55; Cr: 1,5 à 3,0; Mo: 0,8 à 1,2; V: 0,3 à 0,5 avec S c 0,020 et P o0,e20. Ces aciers possèdent de bonnes propriétés de tenue mécanique et de durée de fonctionnement, mais ils ne permet- tent pas d'obtenir des résultats de productivité comparables à ceux obtenus par les aciers précédemment décrits. La présente invention a pour but de fournir de nou- velles frettes de coulée continue d'aluminium qui, tout en préservant une productivité élevée de l'installation liée à une bonne conductivité thermique, procurent une durée de fonctionnement au moins comparable aux meilleurs produits actuellement utilisés, ceci grâce à l'utilisation d'un acier allié possédant une résistance élevée à la fatigue d'origine thermique. L'invention a ainsi pour objet une frette de rouleau de coulée continue d'aluminium, caractérisée en ce qu'elle se présente sous forme d'une enveloppe cylindrique forgée, ayant subi un traitement thermique et usinée, en un acier allié ayant la composisiton suivante, en pourcen- tage pondérai: C: 0,30à 0!36; Mn: 0,30 à 0,60; Si: 0,15 à 0,45; Niihférieur à 0,40; Cr: 2,80 à 3,40; Mo: 0,85 à 1,25; V: u,10 a (,30; S 4 0,020; P reste étant essentiellement du fer et des impuretés rési- duelles. Selon un mode de réalisation préféré, la com- position est la suivante: C; 0,31 à 0,35; Mn: 0,30 à 0,50; Si: 0,15 à 0, 35; Ni inférieur à 0,25; Mo: 0,90 à 1,10; V: 0,13 à 0,20; S 0,020; P Sj0,020; CuC 0,30; le reste étant essen- tiellement du fer et des impuretés résiduelles. L'invention est exposée ci-après en détail en référence aux dessins annexés,sur lesquels: - la Fig.1 est une vue schématique d'ure ins- tallation de coulée continue horizontale; - la Fig.2 est une vue schématique en éléva- tion latérale et en coupe partielle d'une partie de l'ins- tallation de la Fig.1; - la Fig.3 est un diagramme illustrant le cycle des contraintes en fonction de l'allongement subi par le métal de la frette; - la Fig.4 représente des histogrammes illus- trant le nombre et la profondeur des fissures pour qua- tre nuances d'acier,deux selon la technique antérieure et deux selon l'invention. Le principe de la coulée continue d'alliage léger représenté aux Fig.1 et 2,est relatif à la coulée dite horizontale.L'aluminium, fondu dans un four qui n'est pas représenté,est maintenu à niveau constant dans un canal d'amenée 1 et introduit, au moyen d'une buse 2, entre deux rouleaux 3, à une température avoisinant 680 C. Les rou- leaux (ou cylindres) 3 sont entraînés en rotation en sens opposes avec un écartement qui détermine l'épaisseur de la feuille solidifiée 4. L'emprise de laminage constitue une lingotière continue dans laquelle, au contact des cy- lindres froids, l'aluminium de coulée se solidifie, tandis qu'il est entraîné par la rotation des cylindres. Chaque rouleau possède un circuit de refroidisse- ment parcouru par un fluide, en général par de l'eau. Chaque rouleau est réalisé en deux parties, à savoir: Une âme 5 qui est un cylindre en acier dans le- quel sont ménagés des canaux longitudinaux 6, d'amenée et sortie d'eau par les tourillons 7. Ces canaux alimen- tent, par des canaux radiaux 8, des rigoles périphériques 9 et une frette 10 qui est montée sur l'âme, de telle sor- te qu'elle est en contact direct avec le fluide de refroi- dissement qui circule dans les rigoles 9. Cette frette constitue la partie consommable du rouleau.Son rôle pre- mier est d'extraire les calories de l'alliage en solidifi- cation. On conçoit que la productivité de la machine de coulée soit directement liée au transfert des calories au travers de la frette. Comme indiqué précédemment, cette frette doit pos- séder une bonne conductibilite thermique, mais également des propriétés mécaniques appropriées en raison des con- traintes auxquelles elle est soumise. Le régime des contraintes, en chaque point des frettes, est défini par le cumul des contraintes d'origine mécanique et des contraintes d'origine thermique dues au cyclage du gradient thermique. Les contraintes mécaniques ont pour origine: - le frettage (contraintes statiques); - le couple d'entraînement qui induit des contrain- tes de torsion-cisaillement; - la pression de laminage qui entraîne la flexion des cylindres,et une répartition de contraintes de compres- sion-cisaillement dans l'emprise des cylindres. De par son principe, l'opération de frettage à chaud induit dans la frette des contraintes résiduelles. Celles- ci ont été évaluées par différentes formules duapproxima- tion, ou calculées par la méthode des éléments finis. Un certain nombre de mesures de contraintes résiduel- les a été effectué par la méthode des rayons X, sur des frettes de différents types. Les résultats corroborent les calculs. Selon le type de rouleau et les conditions de frettage, l'ordre de grandeur des contraintes résiduelles après frettage est le suivant: - contrainte circonférentielle de traction: 100 à 250 MPa; - contrainte longitudinale en traction: 50 à 150 MPa. Il est à noter qu'en fonctionnement, les frettes se déplacent légèrement. Très rapidement, les contraintes ré- siduelles longitudinales vont disparaître. Par contre, les contraintes circonférentielles de traction, dues au serrage, demeurent. Les contraintes de fonctionnement ont été également calculées, pour un type de machine de coulée déterminé. - Torsion: les contraintes de cisaillement dures au couple d'entraînement sont très faibles, de l'ordre du MPa. Leur effet est donc tout à fait négligeable. - Flexion: au cours d'une rotation,les contraintes longitudinales dues à la flexion passent par un maximum en compression, au contact tôle/cylindre, puis par un ma- ximum en traction dans la position opposée: l'ordre de grandeur de ces contraintes est de: + 70 MPa. - L'effet de laminage qui intervient sur la feuille d'alliage, pendant et juste après sa solidification, est faible et s'applique à un matériau dont la contrainte d'écoulement est très basse. Les contraintes de cisaille- ment de Hertz, engendrées dans la frette,sont donc très modestes et peuvent être négligées. Chaque rotation du rouleau met sa peau en contact avec l'aluminium liquide, dans l'arc de contact a. Il en résulte un gradient thermique dans l'épaisseur de la frette. Puis, au sortir du contact,la rotation permet à la zone sollicitée de se refroidir. On sait que toute variation de température engen- dre une déformation en volume. La variation de température homogène, d'un matériau libre et homogène,entraîne une variation de volume, mais pas de contrainte. Il y a contrainte si: - la structure est encastrée; - la structure n'est pas homogène (d'ou presence de coefficients de dilatation différents); la température n'est pas homogène: les fibres souhaiteraient se dilater différentiellement, or elles sont encastrées dans les fibres voisine d'o un état de contrain- tes, fonction du gradient thermique. Dans le cas des frettes, la face interne peut être considérée, à température constante, voisine de celle de l'eau de refroidissement. La face externe vient, à chaque rotation, en contact avec l'aluminium liquide, puis lors- que la tôle est sortie de l'emprise, la frette se refroi- dit par l'air ambiant, et par le transfert thermique vers le fluide de refroidissement. L'évolution thermique a été étudiée par l'introduc- tion de thermocouples dans l'épaisseur de frettes.Les résul- tats de cette étude ont inspiré la définition du cycle ther- mique imposé à léprouvette de simulation de l'essai de ré- sistance à la fatigue d'origine thermique qui est décrit ci-après et utilisé dans la présente description. Chaque cycle induit, en peau de la frette,une con- trainte maximale de compression dont la valeur peut être estimée en première approximation, en supposant le maté- riau parfaitement élastique, par la relation: y- = E. max. 1 -$ o: E = Module de Young o = Coefficient de dilatation = température de la surface - Température interne = Coefficient de Poisson. Compte tenu de la température atteinte en surface de la frette, on voit que le niveau de contrainte atteint et dépasse la limite élastique de l'acier. L'échauffement de la peau de la frette, au contact de l'aluminium:iquide, entraîne donc une déformation plastique de cette peau. Le cycle de contraintes est illustré à la Figure 3. Le premier échauffement est représentépar la ligne OA,puis par la courbe AB, qui correspond à la déformation plas- tique sur le diagramme contraintes-déformation de la Fig.3. Au refroidissement, la déformation va tendre à s'an- nuler, mais le métal ne pourra pas reprendre élastiquement sa place puisqu'il a subi, au chauffage, une déformation dans le domaine plastique en compression. Le retour à la température basse va provoquer, en D, le dépassement de la limite élastique en traction et entraîner une déformation plastique, en traction cette fois,jusqu'au point E. Le second cycle, partant de E,va provoquer un nou- veau dépassement de la limite élastique en compression en F, et le cycle se poursuivra autour de E F B D, engendrant chaque fois: - une déformation plastique " FB" au chauffage; - une déformation plastique " DE" au refroidissement. Ce cycle de déformations d'origine thermique- engen- dre, inévitablement,une fatigue mécanique de la surface qui se traduit par l'amorçage,puis la propagation de micro- fissures. Les contraintes d'origine mécanique,contraintes résiduelles de frettage et contraintes de flexion sont mo- destes. Elles ne posent pas,pour les aciers, de problème de caractéristique mécanique. Les contraintes prépondérantes sont celles induites par le cycle thermique (auxquelles se superposent,bien en- tendu, les contraintes, même modestes, d'origine mécanique). La propriété essentielle qu'on exige d'une frette de coulée continue, outre la conductibilité thermique,est donc la " résistance à la fatigue thermique ". S'il était possible de diminuer l'ampleur du cycle du gradient de température, on diminuerait le niveau maxi- mum des contraintes et l'on retarderait l'apparition de la fissuration. Ce cycle, cependant, est lié au procédé lui- même. Pour un acier, il a été indiqué précédemment que la contrainte maximale en peau pouvait être évaluée par la relation: =: E." max. - L augmentation du coefficient de Poisson abaisserait la contrainte maximum. Cependant, ce coefficient est davan- tage lié à la structure cristalline de l'alliage quoà sa composition. On évite, dans le principe, les alliages à fort coef- ficient de dilatation. Cependant, les écarts de coefficient de dilatation, pouvant exister entre les différents types d'aciers d'outillages, ne sont pas assez significativement différents pour en faire un critère essentiel de choix. L'abaissement du module d'élasticité (Module de Young) permettrait de diminuer, toutes choses égales par ailleurs, le niveau de la contrainte maximale. Cependant, si l'on peut très bien mesurer le module d'élasticité d'un acier, la cor- relation avec la composition est assez complexe et elle n'a pas fait l'objet de travaux de synthèse exploitables qui permettent la définition d'un acier pour un module d'élas- ticité donné. J.T. LEUKKERI - The elastic module of face- centred cubic transition metal alloys. J.Phy. GBR.1981-11- (10). P.1997 - 2005. STANKOVIC D., PAJEVIC M.B. - Determi- nation of some factors influencing the modulars of elasti- city of Gray Cast Iron. Livarski Vestn.1981 - 28 - (4). P.97 - 102. On sait d'autre part, que l'augmentation de la tem- pérature, ainsi que celle des contraintes jusqu'au niveau provoquant des déformations micro-plastiques, enrane provoquant des déformations microplastiques, entralne une diminution du module d'élasticité. VOJTENKO-AoFo. , SKRIPNIK Yu.D., SOLOVEVA N.G., NADEZHDIN G.N. - Effect of the threeshold of stresses on the Young Modulers, INST. Problem Prochnosti - 1982 - n 11 - P. 83-86). L'obtention d'un bon module de Young ne pourra pas être l'objectif premier de la recherche d'un acier perfor- mant. Cette recherche devra être axée, prioritairement,sur l'optimisation de la résistance à la fatigue thermique. Suivant une première approche, il découle de la description du cycle de contrainte que la résistance à la fatigue d'origine thermique parait directement liée aux caractéristiques mécaniques de l'acier aux températures de sollicitation, et en particulier, directement liée à la limite d'élasticité du matériau. On connaît l'influence du chrome, du molybdène, qui repousse les températures d'adoucissement, du Vana- dium qui élève les caractéristiques à chaud, l'influence du Carbone qui, en précipitant des carbures formés avec les éléments précédents, va durcir l'acier. On sait utiliser les éléments tels que Nickel, le Manganèse ou le Silicium, pour assurer à l'acier une struc- ture homogène et stable, de bonne tenacité. Il existe ainsi des aciers d'outillage à chaud, utilisés,en particulier, pour le forgeage et matriçage des aciers, qui ont une limite élastique à chaud élevée, une bonne résistance à la fatigue thermique et qui sembleraient pouvoir être utilisés pour constituer des frettes de cou- lée continue d'aluminium. Cependant, ces aciers ont une conductibilité thermique trop faible, ce qui entraîne une perte plus ou moins importante, voir des incidents, ou une impossibilité de fonctionnement de la machine. La recherche d'une composition d'acier optimisée pour des frettes de coulée continue consiste à utiliser, au mieux, les éléments d'alliage en vue d'obtenir la meil- leure résistance avec une conductibilité thermique peu modifiée par rapport aux aciers standards. Les critères de choix sont,bien entendu, les ca- ractéristiques mécaniques de l'acier. Toutefois, la fati- gue d'origine thermique est un mécanisme complexe. Outre l'effet des contraintes engendrées par le cyclage du gra- dient thermique, il intègre les effets des agressions ex- térieures, et ceux des modifications internes du matériau, qui influent sur la formation et le développement du ré- seau de fissures. Le choix des matériaux est guidé, outre leurs ca- ractéristiques mécaniques traditionnelles, par leur com- portement aux sollicitations par fatigue d'origine thermi- que, au travers d'un test de simulation spécifique qui sera décrit ci-après. Ainsi pour répondre aux critères en pratique contra- dictoires de bonne productivité et de longévité maximale, les études de la Demanderesse ont permis de déterminer une nuance d'acier définie précédemment pour laquelle un abais- sement acceptable, du point de vue de l'exploitation indus- trielle, de la conductibilité thermique procure cependant une amélioration surprenante de la résistance à la fissura- tion par fatigue thermique. Les frettes pour rouleau de coulée selon la pré- sente invention sont réalisées à partir d'une nuance d'acier élaborée au four électrique,coulée en poche o elle est affinée et dégazéer puis enfin coulée en lingotière. Les lingots sont chauffés à 1200 C environ, percés pour obtenir des ébauches qui sont elles-mêmes forgées en tubes de 500 à 1000 mm de diamètre. Ces ébauches sont ensuite austéniti- sées à 970 C environ,puis trempées et soumises à un revenu pour leur conférer la qualité métallurgique requise. Il est à noter que les nuances selon la présente invention se caractérisent par une simplicité de mise en oeuvre lors de la transformation à chaud et des traite- ments subsidiaires d'affinage de la structure en vue d'ob- tenir les meilleures propriétés de ductilité,ce qui est difficile à obtenir pour des nuances à teneur en carbone * plus élevée ou contenant plus d'éléments d'alliage. Les ébauches ainsi obtenues sont ensuite usinées à la dimension. Le tableau I ci-après indique les compositions pon- dérales des divers aciers soumis à l'essai, à des fins de comparaison. TABLEAU I CaTposition % en poids Nuance C Mn Si P S Ni Cr Po V Technique 0,54 0,85 0,35 0,015 0,008 0,55 1,20 0,45 0,15 antérieure Technique 0,56 0,75 0,30 0,012 0,006 0,45 1,00 0,45 0,18 antérieure Ineto Invention 0,32 0,50 0,35 0,012 0,003 0,15 3,15 0,95 0,20 Invention 0,34 0,35 0,30 0,010 0,002 0,20 3,0 1,05 0,18 Après avoir subi les traitements de qualité métal- lurgique décrits précédemment, les aciers sont soumis aux essais suivants: Tout d'abord un essai visant à déterminer des caractéristiques de trac- tion sur des éprouvettes cassées à la température de 630 C.Les résultats cde ces essais sont résumés au Tableau II. - TABLEAU II - ,I N u a n c e R R 0,002 M-Pa M Pa Z% 1 360 220 92 2 375 230 88 3 550 430 92 4 560 435 90 On a également effectué des essais de résistance à la fatigue thermique sur un dispositif spécifique décrit ci-après. Ce dispositif comporte une éprouvette cylindrique finement rectifiée, qui est, par intermittence, chauffée en surface par induction à haute fréquence et qui est, en permanence, refroidie intérieurement par une circulation d'eau. La définition de l'éprouvette, de la puissance du générateur, du couplage self-éprouvette, du refroidisse- ment, a permis de définir un cycle thermique inspiré des mesures de températures enregistrées sur frettes réelles en fonctionnement. Certains types d'essais de fatigue thermique, tel l'essai de Northcott et Baron, s'attachent uniquement à l'aspect superficiel de la fissuration. Ce critère n'est pas satisfaisant car il n'informe pas sur la pénétration des fissures.Le critère retenu est donc le dénombrement et la profondeur des fissures observées sur une coupe d'éprouvette pour 10 mm linéaires en Surfaceo La fiabilité de cet essai est démontrée par l'excellen- te corrélation observée entre les examens d'éprouvettes et l'apparition et le développement des fissures sur les fret- tes réelles réalisées dans les mêmes matériaux. Les résultats d'essais sont portés sur un histogramme représenté à la Fig.4,o sont représentés les nombres et les profondeurs des fissures.Le mécanisme de fissuration est toujours semblable: les fissures qui sont nées les premiè- res, à partir des micro-accidents de surfaces, sont celles qui se développent le plus en profondeur.Se forme ensuite, un réseau de fissures secondaires de moindre importance.Le critère retenu est la profondeur maximale des principales fissures: ce sont les fissures qui déterminent, sur une frette, la quantité de métal à enlever pour rénover sa sur- face de travail. L'amélioration de la résistance à la fatigue d'origine thermique consiste en une réduction inattendue de la maille du réseau des fissures principales et en une diminution des profondeurs maximales des fissures,toutes choses étant éga- les par ailleurs. Dans l'acier constituant l'art antérieur, la fréquence des premières fissures amorcées est d'environ une à deux fissures par centimètre linéaire. Ces fissures principales qui pénètrent profondément déterminent la durée d'utilisation de la frette avant sa remise en état. Dans l'acier selon la présente invention,la fréquence des fissures s'amorçant à peu près simultanément,est beaucoup plus élevée.La répartition des déformations et contraintes dues au cyclage thermique s'en trouve répartie,ce qui con- tribue à la moindre pénétration de la dégradation par fati- gue thermique. Ceci est mis en évidence,Fig.4 par les résultats obtenus statistiquement sur éprouvettes,selon les conditions d'es- sais précédemment décrites, de cyclage thermique entre 50 et 630'C, représentatif du fonctionnement d'une frette de coulée continue. Pour un même nombre de 3.000 cycles, la profondeur maximale des fissures, qui atteint 2,6 mm avec la nuance 1 selon la technique antérieure n'excède pas 0,32 mm avec la nuance 3 selon la présente invention. Ces résultats favorables de résistance à la fatigue thermique n'entraînent pas d'altération significative de la productivité des coulées continues équipées des fret- tes fabriquées selon la nuance de la présente invention. Ainsi,une machine de coulée continue d'aluminium équi- pée de rouleaux de diamètre 630 mm a permis de couler 9960 tonnes en 4.800 heures environ. Pour une machine équipée de rouleaux de 960 mm de dia- mètre, on a coulé 3.200 tonnes en 1.000 heures. - REVENDICATIONS - 1 - Frette de rouleau de coulée continue d'aluminium, caractérisée en ce qu'elle se présente sous forme d'une en- veloppe cylindrique forgée, ayant subi un traitement ther- mique et usinée, en un acier allié ayant la composition sui- vante, en pourcentage pondéral: C: 0,30 à 0,36; Mn: 0,30 à 0,60; Si: 0,15 à 0,45; Ni inférieur à 0,40; Cr: 2,80 à 3,40; Mo: 0,85 à 1,25; V: 0,10 à 0,30: S 0,020; P,h 0,020; Cu. 0,30; le reste étant essentiellement du fer et des impuretés résiduelles. 2 - Frette selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'acier qui la constitue a la composition pondérale suivante en %: C: 0,31 à 0,35; Mn: 0,30 à 0,50; Si 0,15 à 0,35; Ni inférieur à 0,25; Mo: 0,90 à 1,10; V: 0,13 à 0,20; S ú 0,020; P;' 0,020; Cu _ 0,30, le res- te étant essentiellement du fer et des impuretés résiduel- les.