Brevet FR2682896A1 — publié le 19930430

La présente invention a pour objet un dispositif de refroidissement et de lubrification d'une pièce métallique soumise à des sollicitations thermiques et mécaniques élevées, notamment d'un cylindre de travail d'une cage de laminoir. Dans le domaine de la sidérurgie, les opérations de laminage à chaud des produits plats, notamment des tôles d'acier, nécessitent un refroidissement permanent des cylindres dits de travail en contact avec les tôles. De plus, on soumet la surface des cylindres de travail à une lubrification étant donné que celle-ci procure un gain de l'ordre de 5 à 8% sur la puissance de laminage et qu'elle améliore notablement l'aspect de surface des cylindres en évitant leur dégradation par les contraintes thermiques et mécaniques élevées. On connaît actuellement une installation de refroidissement et de lubrification équipant les cages des laminoirs finisseurs, par exemple de type quarto. Ces cages sont constituées de deux cylindres de travail d'une longueur de 2000 mm et de deux cylindres d'appui. L'installation comprend sur l'une des cages en amont et en aval de chaque cylindre de travail respectivement une et deux rampes de distribution d'eau. La rampe dite amont, appelée également rampe d'entrée, est alimentée par de l'eau sous pression à 3 bars véhiculant un débit de 1500 1/mon, les rampes dites aval, appelées également rampes de sortie, sont alimentées par de l'eau sous pression à 12 bars et sont disposées l'une en dessous de l'autre. Chaque rampe est équipée sur toute sa longueur, soit 1000 mm, d'une pluralité de buses de diamètre environ égal à 5mm, alimentées en eau à une extrémité de ladite rampe par une conduite d'un diamètre sensiblement égal à 80 mm. Sur la rampe d'entrée, de l'huile est injectée dans cette conduite à environ 5 mètres de la rampe dans des proportions allant de 0,5 à 1% du débit d'eau d'alimentation. Cette distance permet d'obtenir une bonne émulsion huile-eau dans la rampe. Une telle installation présente cependant des inconvénients majeurs. En effet, lorsque l'émulsion est au contact de la tôle, sous l'action des fortes contraintes mécaniques développées et en particulier du frottement entre cylindre et tôle, l'huile brûle, ce qui évite par là même tout risque de pollution de surface. Or, dès que l'émulsion est injectée, du fait du phénomène de diffusion dû au passage de l'émulsion à travers les buses, le liquide est aspergé sur environ 1600 mm de la longueur du cylindre de travail. Ainsi, pour une tôle dont la largeur n' excède pas 1200 mm, une partie de 200 mm de longueur située à chaque extrémité du cylindre, n'est pas en contact avec la tôle. L'huile présente sur ces parties ne peut donc pas brûler et pollue considérablement la surface du cylindre. En outre, lors de l'engagement d'une autre tôle dans la cage du laminoir finisseur, on observe un phénomène de patinage dû au contact entre la nouvelle tôle et le cylindre précédemment pollué, contribuant ainsi à l'endommagement de la tôle et du cylindre. L'huile imbrûlée pollue également l'eau de refroidissement qui traverse des filtres placés dans le système de récupération d'eau provoquant leur encrasse ment, voire leur colmatage. Etant donné que le circuit d'eau de refroidissement est fermé, l'eau remise en circulation dans les rampes apporte ainsi cette pollution à toutes les cages du finisseur et à la tôle. Cette pollution s'accompagne également d'une consommation d'huile excessive. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précédemment cités en proposant un dispositif de refroidissement et de lubrification d'un cylindre de travail d'une cage de laminoir permettant d'adapter la lubrification aux différentes largeurs de produits à laminer. La présente invention a pour objet un dispositif de refroidissement et de lubrification d'une pièce métallique soumise à des sollicitations thermiques et mécaniques élevées, comprenant une rampe d'arrosage munie d'une pluralité de buses d'aspersion en vis-à-vis de ladite pièce métallique à refroidir et à lubrifier et alimentée par une émulsion huile-eau, caractérisé en ce que la rampe est divisée en plusieurs compartiments Rl,...,Rn alimentés séparément en émulsion. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - la rampe comporte un compartiment central R1 et, de part et d'autre dudit compartiment central, des compartiments latéraux R21, R22, R31,...,Rn ; - la rampe comporte, de part et d'autre du compartiment central R1, trois compartiments identiques et latéraux, respectivement R21, R31, R41 et R22, R32, R42 ; - le dispositif comprend un circuit d'alimentation en émulsion huile-eau de ladite rampe comportant:: - une conduite principale d'arrivée d'eau et, par rapport au sens d'arrivé d'eau, - n branches Bn,...,Bl respectivement raccordées en des points An,...,Al de ladite conduite et reliées aux compartiments Rn,...,R1, un débit d'eau égal à Qn,...,Q1 circulant respectivement dans chacune desdites branches, - n arrivées d'huile Cn,...,Cl injectant en amont de chaque point An,...,A1 un débit d'huile qn,...,ql destiné à alimenter les branches Bn,...,B1;; - la rampe comporte, en outre, à chacune de ses extrémités un compartiment respectivement Rn+1 et Rn+2 raccordé à la conduite principale chacun par une branche Bn+l et Bn+2 en un point An+l et An+2, en amont de l'arrivée d'huile Cn par rapport au sens d'arrivée d'eau - chaque compartiment Rl,...,Rn est pourvu d'un orifice de purge - chaque branche Bn,...,B1 est équipée d'une électrovanne - chaque arrivée d'huile Cn,...,C1 est équipée d'une électrovanne. Le dispositif selon la présente invention trouve une application particulièrement intéressante pour le refroidissement et la lubrification des cylindres de travail d'une cage de laminoir. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 est un schéma de principe du dispositif de refroidissement et de lubrification selon l'invention, - la Fig. 2 est une vue de côté du dispositif selon l'invention, - la Fig. 3 est une vue de dessus du disposi tif selon l'invention, - la Fig. 4 est une vue de face de la rampe du dispositif selon l'invention, - la Fig. 5 est une vue de face de la conduite principale d'arrivée d'eau du dispositif selon l'invention. Comme représenté à la Fig. 2, le dispositif selon l'invention est utilisé pour le refroidissement et la lubrification des cylindres 1 de travail d'une cage de laminoir finisseur et il est fixé aux outillages de ladite cage. A l'entrée de la première cage du laminoir finisseur, la tôle qui est appelée ébauche à ce stade du processus industriel a une température moyenne comprise entre 900 et 1000"C. Lorsque l'ébauche passe entre les cylindres I de travail, elle devient une bande et on comprend aisément que sous l'effet des contraintes thermiques élevées, la température de surface desdits cylindres 1 dans l'emprise bande-cylindre s'élève jusqu'à 600"C. Des contraintes mécaniques élevées viennent s'ajouter aux contraintes thermiques compte tenu du fait que la force de laminage varie de 1000 à 2000 tonnes et la pression de contact dans l'emprise bande-cylindre varie de 10 à 20kg/mm2. En outre, de part et d'autre du point neutre de l'emprise, les cylindres 1 de travail subissent une sévère contrainte mécanique de frottement contribuant également à leur élévation de température. Pour éviter cette élévation de température et les frottements qui risquent de provoquer un grippage des surfaces en contact, le dispositif de refroidissement et de lubrification, selon l'invention, comporte une rampe 10 d'arrosage alimentée par une émulsion huile-eau et un déflecteur 11. Cette rampe 10 d'arrosage, métallique de forme parallélépipèdique allongée est aménagée le long de chaque cylindre 1 à environ une quinzaine de centimètres en amont de celui-ci. La rampe 10 est reliée à un circuit d'alimentation en émulsion huile-eau, désigné dans son ensemble par la référence 12. La rampe 10 est munie d'une pluralité de buses 13 d'aspersion disposées régulièrement sur toute la longueur de la face 14 de ladite rampe placée en vis à vis du cylindre 1. La longueur de la rampe 10 est environ égale à la moitié de celle du cylindre 1, soit 1000mm, la largeur maximale des tôles à laminer étant voisine de 1900mm. Comme représenté sur les figures 1, 3 et 4, à l'intérieur de la rampe 10, plusieurs cloisons 15 transversales, étanches et régulièrement disposées délimitent des compartiments ..... . ,Rn dans lesquels circule l'émulsion huile-eau qui est ensuite injectée au travers des buses 13 sur la surface du cylindre 1. La rampe 10 comporte un compartiment central R1 d'une longueur d'environ 600mm et, de part et d'autre dudit compartiment central R1, trois compartiments identiques, latéraux respectivement R21 et R22, R31 et R32, R41 et R42, chacun d'une longueur d'environ 70mm. Selon le mode de réalisation représenté sur les figures, la rampe 10 comporte également, de part et d'autre des compartiments latéraux, un compartiment d'extrémité respectivement R5 et R6 d'une longueur d'environ 250mm. En fonction de la pièce métallique à refroidir et à lubrifier, ces compartiments d'extrémité R5 et 56 ne sont pas indispensables. Les compartiments R1, R21, R22, R31, R32, R41 et R42 sont alimentés en émulsion huile-eau, tandis que les compartiments d'extrémité R5 et R6 sont alimentés uniquement en eau. A cet effet, le circuit d'alimentation 12 comprend une conduite principale 20 d'arrivée d'eau de refroidissement à une température voisine de 30"C et représentée à la Fig. 5. Pour des raisons d'encombrement, la conduite principale 20 d'une longueur de 2000mm se compose de quatre parties 21, 23, 25, 27 placées l'une au dessus de l'autre, reliées chacune à un coude. La première partie 21 de diamètre 100mm s'étend parallèlement à la rampe 10 et se termine par un coude 22 qui la relie à la deuxième partie 23 de diamètre 80mm et placée au dessus de celle-ci. Cette deuxième partie 23 se termine par un coude 24 qui la relie à la troisième partie 25 de diamètre 60mm placée au-dessus de celle-ci. Cette troisième partie 25 se termine également par un coude 26 qui la relie à la quatrième 27 et dernière partie de diamètre 60mm placée au-dessus de celle-ci, la quatrième partie 27 s'étendant sur une longueur égale à environ la moitié de celle de la rampe 10. La conduite principale 20 comporte par rapport au sens d'arrivée de l'eau et ainsi que représenté aux Figs. 1 et 3, n branches Bn,...,B1 partant respectivement de points de raccordement An,...,A1 de ladite conduite 20, vers les compartiments R1 et R21, R31 et R32, R41 et R42 et deux branches Bn+1 et Bn+2 partant respectivement des points de raccordement An+1 et An+2 de la conduite 20, vers les compartiments d'extrémité R5 et R6. La première branche Bn+2 ou B6 de diamètre 80mm perpendiculaire à la rampe 10 et partant du point An+2 ou A6 situé à une extrémité de la première partie 21 de la conduite principale 20, alimente en eau le compartiment d'extrémité R6. La deuxième branche Bn+l ou B5 de diamètre 80mm perpendiculaire à la rampe 10 et partant du point An+1 ou A5 situé à l'autre extrémité de la première partie 21 de la conduite principale 20, alimente en eau l'autre compartiment d'extrémité RS. Les compartiments R5 et R6 ne servent qu'a refroidir les extrémités du cylindre 1, les échanges thermiques par conduction permettant ainsi de refroidir le coeur de celui-ci. La troisième branche Bn ou B4 partant du point de raccordement An ou A4 situé sur la deuxième partie 23 de la conduite principale 20, alimente en émulsion huile-eau simultanément les compartiments latéraux R41 et R42. Cette troisième branche B4 se divise, par l'intermédiaire d'une fourche, en deux tronçons B41 et B42 alimentant respectivement les compartiments latéraux R41 et R42. La quatrième branche Bn-1 ou B3 partant du point de raccordement An-1 ou A3 situé sur la troisième partie 25 de la conduite principale 20, alimente en émulsion huile-eau simultanément les compartiments latéraux R31 et R32. Cette quatrième branche B3 se divise, par l'intermédiaire d'une fourche, en deux tronçons B31 et B32 alimentant respectivement les compartiments latéraux R31 et R32. La cinquième branche Bn-2 ou B2 partant du point de raccordement An-2 ou A2 situé au début de la quatrième partie 27 de la conduite principale 20, alimente en émulsion huile-eau simultanément les compartiments latéraux R21 et R22. Cette cinquième branche B2 se divise, par l'intermédiaire d'une fourche, en deux tronçons B21 et B22 alimentant respectivement les compartiments latéraux R21 et R22. La dernière branche B1 partant du point de raccordement Al situé à l'extrémité de la quatrième partie 27 de la conduite principale 20, alimente en émulsion huile-eau directement le compartiment central R1. Comme représenté sur la Fig. 3, les branches B5 et B6 encadrent les tronçons B41 et B42 de la branche B4 qui encadrent eux-mêmes les tronçons B31 et B32 de la branche B3, encadrant les tronçons B21 et B22 de la branche B2. Le circuit 12 de lubrification et de refroidissement comporte également n gicleurs Cn,...,Cl et dans le mode de réalisation représenté sur les figures quatre gicleurs C4, C3, C2 et C1 pour des arrivées d'huile respectivement placées sur la conduite principale 20 en amont des points de raccordement A4, A3, A2 et Al à une distance d'environ 1,50m de chacun des compartiments à alimenter afin d'obtenir une bonne émulsion huile-eau. L'avantage de cette disposition tient à ce que la taille des gicleurs est suffisante pour éviter le bouchage des arrivées d'huile du fait qu'ils alimentent au moins le compartiment R1 qui représente à lui seul 60% du débit maximal pour la lubrification Le plus petit gicleur est C1 et son diamètre est de 0,5mm. Les injections d'huile en A3, A2 et Al représentent respectivement 85, 72 et 60% du débit à injecter en A4, à savoir - A4 : 1 millième du débit en eau de 1500 1/mon = 1,5 1/mon - A3 : 85% du débit en A4 = 1,3 1/mon - A2 : 72% du débit en A4 = 1,1 1/mon - Al : 60% du débit en A4 = 0,9 1/mon Les arrivées d'huile C4, C3, C2 et C1 sont toutes équipées d'une électrovanne 17 (Fig. 1) permettant de fermer l'alimentation en huile. L'emploi d'électrovannes est avantageux par rapport à des pompes qui nécessitent une maintenance importante. Les deux compartiments d'extrémité R5 et R6 sont raccordés par rapport au sens d'arrivée de l'eau dans la conduite principale 20, en amont de l'arrivée d'huile C4. Comme représenté à la Fig. 1, la conduite principale 20 d'arrivée d'eau véhicule un débit d'eau Q6 + Q5 + Q4+ Q3 + Q2 + Q1, les débits Q4, Q3, Q2 et Q1 se répartissant dans les branches B4, B3, B2, B1 qui alimentent les compartiments respectivement R41 et R42, R31 et R32, R21 et R22, le débit Q5 alimentant le compartiment d'extrémité R5 et le débit Q6 alimentant le compartiment d'extrémité R6. De cette manière, la totalité de la surface du cylindre 1 de travail est refroidie et grâce au dispositif selon l'invention la température moyenne de celui-ci est comprise entre 60 et 80"C. Lorsqu'on lamine des tôles d'une largeur inférieure ou égale à 1000mm, seul le compartiment central R1 doit être alimenté en huile étant donné que la couverture de la lubrification atteint 1,6 fois la largeur du compartiment. Le dispositif selon l'art antérieur ne permet de lubrifier que la totalité de la pièce métallique 1 sollicitée mécaniquement et thermiquement, soit une couverture de lubrification minimale d'environ 1600mm. De manière avantageuse, le dispositif selon l'invention permet de réaliser une lubrification fractionnée asservie à la largeur de la zone de la pièce métallique 1 sollicitée, sans modification du refroidissement. Dans l'exemple de réalisation décrit, l'huile n'est appliquée que sur la zone du cylindre de travail 1 en contact avec la tôle. Les aspersions d'huile hors de la tôle sont sans commune mesure avec les résultats obtenus dans l'art antérieur puisque presque tout le cylindre 1 était lubrifié quelque soit le format de tôle envisagé. De cette manière, la pollution des tôles et des cylindres 1 et le gaspillage sont fortement réduits. Ainsi, le dispositif selon l'invention permet de s'assurer que l'on injecte la quantité nécessaire d'huile et que celle-ci va être brûlée afin de ne pas gêner l'engagement de l'ébauche suivante par des patinages. L'huile totalement brûlée ne vient donc plus encrasser les filtres du système de récupération d'eau. Pour les largeurs de tôles comprises entre 1000 et 1200mm, on enclenche ltélectrovanne 17 placée sur l'arrivée d'huile C2 afin d'injecter en amont du point A2 un débit d'huile q2 qui doit se mélanger au débit d'eau Q1 + Q2 véhiculé en amont de ce point, l'électro- vanne 17 placée sur l'arrivée d'huile C1 étant fermée. De même pour les tôles de largeur supérieure à 1600mm, tous les compartiments R1, R2, R3 et R4 sont alimentés en émulsion huile-eau, l'huile étant injectée dans le débit d'eau 91 + Q2 + Q3 + Q4 avec un débit q4 en amont du point de raccordement A4 par enclenchement de l'électrovanne 17 correspondante placée sur l'arrivée d'huile C4, les électrovannes 17 placées sur les arrivées d'huile C1, C2 et C3 étant fermées. De plus, un orifice 18 est aménagé sur chaque compartiment afin de purger les impuretés ou particules métalliques contenues dans ceux-ci. Les orifices 18 sont disposés sur la partie inférieure de la surface 14 de la rampe 10 en regard du cylindre 1 de travail. Le dispositif selon la présente invention n'occasionne qu'une maintenance réduite et convient parfaitement à tout type de laminoir. Dans une autre application du dispositif selon la présente invention, la rampe 10 peut être constituée de plusieurs compartiments dont les longueurs dépendent des zones de la pièce métallique 1 sollicitée et les branches d'alimentation Bl,...,Bn en eau sont alors munies d'une électrovanne, non représentée, qui permet de ne refroidir et lubrifier qu'une zone déterminée, contrairement à l'application aux cylindres de laminoir dans laquelle le refroidissement est une condition impérative. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de refroidissement et de lubrification d'une pièce métallique (1) soumise à des sollicitations thermiques et mécaniques élevées, comprenant une rampe (10) d'arrosage munie d'une pluralité de buses d'aspersion (13) en vis-à-vis de ladite pièce métallique (1) à refroidir et à lubrifier et alimentée par une émulsion huile-eau, caractérisé en ce que la rampe (10) est divisée en plusieurs compartiments Rl,...,Rn alimentés séparément en émulsion. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rampe (10) comporte un compartiment central R1 et, de part et d'autre dudit compartiment central R1, des compartiments latéraux R21, R22, R31,...,Rn. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la rampe (10) comporte, de part et d'autre du compartiment central R1, trois compartiments identiques, latéraux respectivement R21, R31, R41 et R22, R32, R42. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit (12) d'alimentation en émulsion huile-eau de ladite rampe (10) comportant - une conduite principale (20) d'arrivée d'eau et, par rapport au sens d'arrivée d'eau, - n branches Bn,...,Bl respectivement raccordées en des points An,...,A1 de ladite conduite (20) et reliées aux compartiments Rn,...,R1, un débit d'eau égal à Qn,.. ,Qî circulant respectivement dans chacune desdites branches, - n arrivées d'huile Cn,...,C1 injectant en amont de chaque point An,..., Al un débit d'huile qn, ...,ql destiné à alimenter les branches Bn,...,B1. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la rampe (10) comporte, en outre, à chacune de ses extrémités un compartiment respectivement Rn+l et Rn+2 raccordé à la conduite principale (20) chacun par une branche Bn+1 et Bn+ 2 en un point An+1 et An+2, en amont de l'arrivée d'huile Cn par rapport au sens d'arrivée d'eau. 6 - Dispositif selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que chaque compartiment Rl,...,Rn,...Rn+2, est pourvu d'un orifice (18) de purge. 7 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque branche Bn,...,B1 est équipée d'une électrovanne. 8 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque arrivée d'huile Cn,...,Cl est équipée d'une électrovanne. 9 - Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes au refroidissement et à la lubrification d'un cylindre (1) de travail d'une cage de laminoir.