Brevet FR2747058A1 — publié le 19971010

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un fil en un matériau métallique à section rectangulaire présentant une structure et des caractéristiques mécaniques prédéterminées. En particulier, l'invention s'applique à la fabrication de fils en zirconium ou en alliage de zirconium à section rectangulaire qui sont utilisés pour réaliser des éléments tels que des barrettes de guidage ou des espaceurs d'éléments de combustible utilisés dans certains types de réacteur nucléaire. Dans certains réacteurs nucléaires, tels que les réacteurs refroidis à l'eau lourde, de type CANDU, on utilise des éléments de combustible dans lesquels des crayons renfermant le matériau combustible sont assemblés entre eux sous la forme de faisceaux cylindriques à section circulaire. Sur la gaine des crayons périphériques des éléments de combustible, sont fixées par soudage des barrettes permettant d'orienter et de guider l'élément de combustible dans un logement prévu pour le recevoir. En outre, des barrettes d'espacement sont également disposées entre les crayons de l'élément de combustible. Les barrettes de guidage et d'orientation et les barrettes d'espacement des crayons combustibles qui présentent une section rectangulaire sont obtenues par découpage de fils en alliage de zirconium à section rectanglaire. Les fils en alliage de zirconium tels que le Zircaloy 4 sont obtenus par des opérations de transformation comportant de nombreuses phases successives constituées principalement par des phases de laminage et de tréfilage entre lesquelles sont réalisés des traitements thermiques. Pour produire un fil à section rectangulaire ayant des dimensions de l'ordre de 2 x 3 mm, on élabore un produit de départ ayant une section carrée de grande dimension qui est ensuite laminé de manière à réduire les dimensions de la section carrée, traité thermiquement puis laminé à nouveau sous la forme d'un rond dont la section est ensuite réduite par laminage à chaud après traitement thermique. Le produit à section circulaire obtenu à l'issue du laminage de réduction est ensuite tréfilé en plusieurs phases séparées par des traitements thermiques pour obtenir un produit à section carrée de dimensions décroissantes, jusqu'aux dimensions finales du produit obtenues dans la dernière phase du laminage. Le fil à section carrée ou rectangulaire est alors soumis à des traitements de parachèvement et de contrôle. Les nombreuses phases successives de transformation et en particulier de laminage et de tréfilage sur des produits ayant des sections de forme et de dimensions extrêmement variables pendant le processus de fabrication nécessitent d'utiliser des lignes de transformation de caractéristiques très différentes. I1 est nécessaire le plus souvent d'utiliser des lignes de transformation et des installations de traitement thermique qui se trouvent réparties dans différentes usines équipées pour la fabrication de produits métalliques ayant des sections et des dimensions différentes. Le délai de fabrication d'un lot de fils à section rectangulaire est donc extrêmement long, de l'ordre de 40 semaines. En outre, du fait du très grand nombre d'opérations successives, il est très difficile d'ajuster la structure et les caractéristiques géométriques et mécaniques du fil à section rectangulaire à l'état final, en fonction des exigences requises pour la fabrication. De manière plus générale, lorsqu'on désire fabriquer des fils à section rectangulaire de faibles dimen sions en un matériau métallique quelconque, il est nécessaire de recourir à de nombreuses opérations de transformation successives, par exemple par laminage, de sorte que le processus de fabrication est complexe et qu'il est très difficile de garantir des caractéristiques précises du produit final, du fait de cette complexité du processus de fabrication. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de fabrication d'un fil en un matériau métallique à section rectangulaire présentant une structure et des caractéristiques mécaniques prédéterminées et une grande homogénéité interne, par des opérations de transformation successives sur des produits de forme homogène, ces transformations pouvant être effectuées sur des installations standard disponibles dans une usine de transformation métallurgique. Dans ce but, on réalise, par des opérations d'élaboration et de transformation du matériau métallique comprenant au moins une phase de laminage et au moins un traitement thermique, une tôle ayant une épaisseur égale à une première dimension de la section du fil à obtenir et une structure et des caractéristiques mécaniques correspondant à la structure et aux caractéristiques prédéterminées du fil à obtenir et on découpe la tôle suivant une pluralité de lignes de coupe parallèles entre elles et de direction longitudinale, de manière que l'espacement de deux lignes de coupe successives soit égal à la seconde dimension de la section du fil. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un procédé de fabrication d'un fil à section rectangulaire en alliage de zirconium qui peut être utilisé pour la réalisation de barrettes ou espaceurs pour éléments de combustible d'un réacteur CANDU. La figure 1 est une vue en perspective d'un assemblage de combustible pour un réacteur CANDU comportant des barrettes de guidage et des espaceurs réalisés à partir d'un fil à section rectangulaire. La figure 2 est une vue en élévation latérale des rouleaux de découpage d'une refendeuse utilisée pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. La figure 3 est une vue de face suivant 3 des rouleaux et couteaux de la refendeuse. La figure 4 est une vue schématique d'une ligne de parachèvement d'un fil rectangulaire fabriqué par le procédé de l'invention. Sur la figure 1, on voit un élément de combustible d'un réacteur CANDU, désigné de manière générale par le repère 1 et présentant une forme cylindrique. L'élément de combustible 1 comporte des plaques d'extrémité 2 de forme générale circulaire et un ensemble de crayons de combustible 3 constituant un faisceau de forme cylindrique. Chacun des crayons de combustible comporte une gaine tubulaire en alliage de zirconium, par exemple en Zircaloy 4 renfermant des pastilles de combustible et fermée à ses extrémités par des bouchons également en Zircaloy 4. De manière à assurer le guidage et l'orientation de l'élément de combustible dans un logement destiné à le recevoir dans le réacteur nucléaire, des barrettes de guidage 4 sont fixées sur la gaine des crayons périphériques de l'élément combustible 1 par soudage. Sur chacun des crayons combustible périphériques 3 de l'élément combustible 1 sont fixées trois barrettes 4 espacées suivant la longueur du crayon. En outre, les barrettes de deux crayons consécutifs sont décalées l'une par rapport à l'autre dans la direction longitudinale du crayon. Sur la figure 1A, on a représenté en perspective une barrette 4 dont la section droite transversale (représentée hachurée) a la forme d'un rectangle. La barrette 4 comporte des extrémités planes, inclinées par rapport à la section droite de la barrette. Les barrettes 4 sont réalisées par découpage dans une direction inclinée d'un fil à section rectangulaire en Zircaloy 4. L'élément de combustible 1 comporte de plus des espaceurs 5 qui sont intercalés chacun entre deux crayons voisins de l'élément de combustible et qui permettent de maintenir un espace régulier entre les crayons, dans l'ensemble de l'élément de combustible 1. On évite ainsi la déformation et la mise en contact des crayons de combustible 3 qui risqueraient de produire des points chauds. Les espaceurs 5 sont également réalisés par découpage d'un fil à section rectangulaire en Zircaloy 4 et sont soudés sur la surface externe de la gaine des crayons, dans une disposition légèrement inclinée par rapport aux génératrices de la gaine du crayon. Les espaceurs 5 ont des dimensions et en particulier une section, inférieures à la dimension et à la section des barrettes de guidage et d'orientation 4 de l'élément combustible. Les barrettes 4 et les espaceurs 5 sont obtenus par cisaillage à la longueur voulue de fils ayant une section correspondant à la section droite transversale de la barrette ou de l'espaceur. Pour la fabrication des éléments de combustible tels que ceux utilisés dans le réacteur CANDU, on utilise des fils à section rectangulaire en Zircaloy 4 dont la structure et les propriétés doivent être ajustées, de manière à assurer une bonne tenue dans le réacteur en service des barrettes et espaceurs des éléments de combustible. De manière typique, on utilise en particulier pour la réalisation des barrettes, des fils à section carrée ou rectangulaire dont la longueur des côtés est comprise entre 0,9 et 3 mm. Les dimensions de la section des fils doivent être obtenues avec une très bonne précision. Jusqu'ici, on réalisait les fils rectangulaires en Zircaloy 4 par une suite d'opérations de transformation comportant des phases de laminage et des phases de tréfilage sur des produits ayant des sections rondes ou carrées et des dimensions décroissantes au cours de la transformation, jusqu'à l'obtention des dimensions finales de la section du fil à section rectangulaire. Un tel procédé est complexe, met en oeuvre des outillages et installations d'une grande diversité et demande un contrôle précis des différentes opérations de transformation et de traitement thermique pour obtenir les structures et caractéristiques voulues sur le fil à l'état final. Le procédé de fabrication suivant l'invention peut être représenté sous la forme du schéma ci-des sous Compactage/Fusion Forgeage à chaud BRAME Usinage, Contrôle US Aspect de surface, Dimensions Laminage à chaud Trempe intermédiaire Brossage-décapage Laminage à froid Traitement thermique Refendage en bande Refendage en fil 1 Soudage Arasage Redressage Contrôle/conditionnement La fabrication du fil commence par une élaboration à l'état liquide de l'alliage Zircaloy 4 qui est ensuite coulé sous forme de lingot puis forgé à chaud sous forme d'une brame, c'est-à-dire un produit plat de forte épaisseur. Après des opérations de mise à dimensions et de contrôle de la brame, on réalise un laminage à chaud en plusieurs passes avec une trempe du produit à une dimension intermédiaire pour obtenir une tôle laminée à chaud qui est brossée et décapée avant de réaliser le laminage à froid de cette tôle. Le laminage à froid pour obtenir une tôle ayant comme épaisseur la longueur de l'un des côtés de la section carrée ou rectangulaire du fil à obtenir est suivi d'un traitement thermique permettant d'obtenir la structure et les caractéristiques mécaniques voulues pour le fil, en fonction de son utilisation. Le laminage à froid peut être réalisé en une ou en plusieurs passes, pour obtenir une tôle laminée à froid ayant une épaisseur finale de l'ordre de 2 mm et qui, plus généralement, peut être comprise entre 0,9 et 4 mm. On réalise ensuite le refendage de la bande de tôle laminée à froid sous la forme de bandes de plus faibles largeurs que la bande de départ puis le refendage des bandes de plus faibles largeurs pour obtenir le fil à l'état final dont la section rectangulaire ou carrée présente une première dimension correspondant à l'épaisseur de la bande laminée à froid et une seconde dimension correspondant à la largeur de coupe mise en oeuvre pendant le refendage. Le refendage est réalisé sur une ligne de production comportant une refendeuse à rouleaux et à couteaux annulaires permettant de refendre des tôles ayant une épaisseur comprise entre 0,9 et 4 mm. Sur les figures 2 et 3, on a représenté de manière schématique une refendeuse qui comporte un rouleau supérieur 6a et un rouleau inférieur 6b disposés en vis-à-vis l'un de l'autre, de manière à assurer le refendage de la bande 7 passant entre les rouleaux. Chacun des rouleaux 6a et 6b comporte un arbre central sur lequel sont montés avec un espacement défini de manière très précise des couteaux de forme annulaire 8a et 8b. Comme il est visible sur la figure 3, les couteaux 8a et 8b sont disposés en quinconce sur les rouleaux 6a et 6b et les rouleaux sont disposés en vis-à-vis avec leurs axes parallèles, dans une disposition telle que chacun des couteaux 8a ou 8b de l'un des rouleaux de refendage se trouve en saillie à l'intérieur d'un espace entre deux couteaux 8a ou 8b situés en vis-à-vis. En outre, l'espacement entre les couteaux 8a et entre les couteaux 8b suivant la direction de l'axe des rouleaux est maintenu à une valeur très légèrement supérieure à la largeur des couteaux de manière à prévoir un jeu entre les faces latérales des parties de découpage des couteaux qui sont entraînés en rotation en sens inverse, comme indiqué par les flèches 9 sur la figure 2. La bande laminée à froid 7 qui est amenée dans l'emprise entre les rouleaux 6a et 6b, comme représenté par la flèche 16, est découpée par cisaillage sous la forme de fils ayant une section rectangulaire dont l'une des dimensions correspond à l'épaisseur de la bande 7 laminée à froid et dont l'autre dimension entre deux lignes de coupe successives correspond à l'espacement des couteaux successifs dans la direction axiale des rouleaux perpendiculaire à la direction longitudinale suivant laquelle la bande de tôle défile entre les rouleaux. Le jeu entre les faces latérales des couteaux situées en vis-à-vis dans la direction axiale est maintenu par des cales intercalaires de montage des couteaux. Ce jeu est généralement fixé à une valeur de l'ordre de 0,1 mm. Dans le cas où l'on utilise une refendeuse comportant des rouleaux entraînés en rotation par un moteur, on peut réaliser le découpage de bandes dont la longueur peut aller jusqu'à 100 m. On peut donc obtenir des longueurs de fil de 25 à 100 m, ces longueurs de fil pouvant être soudées bout à bout puis enroulées sur une bobineuse. Les soudures entre les longueurs de fil peuvent être repérées avant de réaliser l'enroulement des fils sous forme de bobines. Suivant les caractéristiques de la refendeuse, on peut réaliser simultanément un nombre de fils 10 variables, ce nombre pouvant être par exemple de 10. Bien entendu, l'état métallurgique et les caractéristiques des fils sont ceux qui sont obtenus sur la tôle laminée à froid dont on effectue le refendage. I1 est bien évident qu'il est beaucoup plus facile d'ajuster l'état métallurgique et les caractéristiques d'une tôle obtenue par des opérations classiques de laminage à chaud et à froid que l'état structural et les caractéristiques de fils obtenus par de nombreuses opérations successives de laminage et de tréfilage ou d'étirage. En particulier, l'opération de laminage permet de garantir l'absence de porosités dans les produits obtenus, alors qu'il est bien connu que le zirconium et ses alliages présentent une sensibilité à ce type de défauts lors des opérations de tréfilage ou d'étirage, ce qui rend ces opérations très délicates à utiliser en limitant les taux de déformation admissibles et en nécessitant des préparations de surface complexes. Les fils obtenus peuvent être découpés, par exemple par cisaillage, pour constituer des barrettes ou espaceurs pour éléments de combustible nucléaire. De manière typique, dans le cas de l'élaboration de fils à section rectangulaire ou carrée en Zircaloy 4 utilisés pour la fabrication d'éléments de combustible nucléaire, on a pu obtenir des fils dont les caractéristiques dimensionnelles et la précision d'obtention des dimensions sont indiquées ci-dessous. Fil rectangulaire de section 2 mm+O,05x2,65 mm +0,15 Fil rectangulaire de section 2,21 mm+0,05x2,42 mm +0,15 Fil rectangulaire de section 1,57 mm+0,05x2,87 mm +0,15 Fil rectangulaire de section 0,9 mmi0,05x2,47 mm tu, 15 Ces fils peuvent être utilisés pour constituer des barrettes de guidage et d'orientation ou des espaceurs d'éléments de combustible utilisés dans un réacteur du type CANDU. De plus, on a réalisé un fil carré de section 1,5 mm+0,05x1,5 mm+0,15 utilisé comme fil de soudure. Dans tous les cas, la première dimension du fil correspond à l'épaisseur de la tôle laminée à froid, la précision d'obtention de cette épaisseur étant de 0,05mm. La seconde dimension correspond à la largeur de coupe lors du refendage, c'est-à-dire à la distance entre les lignes de coupe dans une direction perpendiculaire à ces lignes de coupe, cette largeur étant obtenue avec une précision de 0,15 mm. Sur la figure 4, on a représenté une ligne de parachèvement des fils obtenus par refendage d'une bande en alliage de zirconium. La ligne de parachèvement comporte un dérouleur 11 sur lequel est placée la bobine de fil à section rectangulaire 10, une soudeuse 12 permettant de réaliser le soudage bout à bout des longueurs de fil obtenues par découpage, une dresseuse à galets 13 permettant d'éliminer les défauts de planéité du fil 10, une araseuse 14 permettant de supprimer la bavure qui peut exister en partie basse des faces cisaillées du fil 10 et une enrouleuse 15 permettant d'obtenir des bobines de fil 10 qui peuvent être expédiées chez les utilisateurs. Les fils 10 comportent deux faces brutes de laminage dont la rugosité Ra est inférieure ou égale à 10 uni et deux faces obtenues par refendage avec arasage des bavures de découpage, dont la rugosité Ra est inférieure ou égale à 30 pin. Le fait que le fil a subi une opération de dressage pendant le parachèvement permet de l'utiliser sur des machines à alimentation automatique pour l'utilisation finale. L'état final du fil se traduit par un microécrouissage de surface ou un léger écrouissage de l'ensemble du fil. L'intérêt principal du procédé suivant l'invention est de permettre de réaliser une fabrication du fil dans un délai qui est très sensiblement diminué par rapport au délai de fabrication dans le cas de la fabrication d'un fil par les procédés connus de l'art antérieur. Ce délai de fabrication est inférieur au tiers du délai de fabrication par les procédés selon l'art antérieur. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi que l'opération de refendage de la tôle peut être réalisée d'une manière différente de celle qui a été décrite avec un dispositif d'un type différent d'une refendeuse par cisaillage entre des couteaux. La bande utilisée pour le refendage sous forme de fils peut être obtenue par tout procédé de transformation habituel dans le cas de l'élaboration de bandes en un matériau métallique identique à celui du fil. Les gammes de fabrication de la bande seront choisies de manière à pouvoir être réalisées en utilisant les installations de type classique disponibles dans les usines de transformation. La ligne de parachèvement des fils pourra être montée en sortie de la machine de refendage, de manière à assurer un processus continu de fabrication du fil. L'invention s'applique non seulement à la fabrication de fils en zirconium ou en alliage de zirconium tel que le Zircaloy 4 mais également à la fabrication de fils en tout matériau métallique qui peut être mis sous forme de bande puis refendu longitudinalement sous forme de produits de faible largeur tels que des fils à section rectangulaire ou carrée. L'invention s'applique également à la fabrication de fils ou baguettes de soudures en un métal d'apport de composition quelconque. Les gammes de traitement thermique seront adaptées au matériau des fils et aux propriétés et état structural exigés pour le fil à l'état final. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'un fil (10) en un matériau métallique, à section rectangulaire, présentant un état structural et des caractéristiques mécaniques prédéterminés ainsi qu'une grande homogénéité interne, caractérisé par le fait qu'on réalise, par des opérations d'élaboration et de transformation du matériau métallique comprenant au moins une phase de laminage et au moins un traitement thermique, une tôle (7) ayant une épaisseur égale à une première dimension de la section du fil (10) à obtenir et un état structural et des caractéristiques mécaniques correspondant à l'état structural et aux caractéristiques prédéterminées du fil (10) à obtenir et qu'on découpe la tôle (7) suivant une pluralité de lignes de coupe parallèles entre elles et de direction longitudinale, de manière que l'espacement de deux lignes de coupe successives, perpendiculairement à la direction longitudinale, soit égal à la seconde dimension de la section du fil (10). 2.- Procédé de fabrication suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on réalise le découpage longitudinal de la bande (7), par refendage entre des couteaux (8a, 8b) d'une refendeuse dont l'espacement, dans une direction perpendiculaire à la direction longitudinale de défilement de la tôle (7) est égal à la seconde dimension de la section du fil (10). 3.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'on réalise, après refendage, un dressage des fils (10) et un arasage des faces du fil (10) obtenu par découpage. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait qu'on réalise par découpage d'une tôle (7) des longueurs de fil (10) et qu'on soude bout à bout les longueurs de fil (10). 5.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les opérations d'élaboration et de transformation du matériau métallique pour obtenir la tôle plane (7) comportent au moins une opération de laminage à chaud, au moins une opération de laminage à froid et des traitement thermiques. 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le matériau métallique est du zirconium ou un alliage de zirconium. 7.- Utilisation du procédé suivant la revendication 6 pour la fabrication de barrettes d'orientation et de guidage ou d'espacements de crayons combustibles (3) d'un élément de combustible pour réacteur nucléaire, par découpage d'un fil à section rectangulaire (10) obtenu par le procédé selon la revendication 6. 8.- Utilisation d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour la fabrication de fils ou baguettes de soudure.