Brevet FR2758282A1 — publié le 19980717

Cylindre pour une installation de laminage ou de coulée continue des métaux. La présente invention concerne un cylindre pour une installation de laminage ou de coulée continue des métaux. Plus précisément, elle concerne une nouvelle structure de cylindre utilisable tant pour des cylindres d'appui ou de travail de laminoirs à chaud ou à froid, que pour des cylindres utilisés dans des installations de coulée continue entre cylindres de produits métalliques plats, les produits laminés ou coulés pouvant être ferreux ou non ferreux. On connaît déjà des cylindres utilisés dans de telles installations comportant une virole entourant coaxialement un coeur ou moyeu, lui-même éventuellement monté sur un arbre. Selon les utilisations, ces cylindres sont entraînés en rotation ou simplement montés rotatifs dans des paliers. Les caractéristiques mécaniques et thermiques des matériaux utilisés respectivement pour la virole et pour le coeur sont choisies en fonction des contraintes auxquelles ces éléments sont soumis. Le coeur est classiquement réalisé en acier et présente essentiellement des caractéristiques de résistance mécanique adaptées pour supporter les efforts engendrés par le produit travaillé et éventuellement le couple d'entraînement en rotation. La virole doit supporter d'une part des contraintes mécaniques dues à la pression du produit laminé ou coulé, et d'autre part, surtout pour des cylindres de travail de laminage à chaud ou des cylindres de coulée, des contraintes thermiques. Elle est couramment refroidie, soit par un arrosage extérieur, soit, notamment pour des cylindres de coulée, par une circulation d'un fluide refroidissant dans des canaux aménagés dans l'épaisseur de la virole. On sait que, sous l'effet des diverses contraintes, les cylindres, et plus particulièrement leurs viroles, se déforment. Dans des installations de laminage, il est bien connu de compenser les déformations, qui sont essentiellement des déformations de flexion de l'ensemble du cylindre, en réglant le cambrage et l'équilibrage des cages de laminoirs. Dans des installation de coulée continue entre cylindres, où les déformations de la virole sont en grande partie d'origine thermique, il est déjà connu de lier la virole sur le moyeu seulement localement, par exemple uniquement dans une partie axialement médiane du cylindre, de manière à autoriser une certaine liberté de déformation de la virole par rapport au moyeu et ainsi limiter les contraintes dans la virole. Par ailleurs, il est connu d'adapter le refroidissement pour compenser ou contrôler au moins en partie les déformations de la virole, dans le but d'obtenir un profil souhaité de la surface extérieure de la virole et ainsi le profil désiré du produit coulé. La présente invention vise à fournir un cylindre permettant un meilleur contrôle du profil extérieur de la virole, c'est-à-dire de la forme de sa génératrice, en agissant directement sur la virole pour compenser les déformations du cylindre et les éventuels défauts géométriques du produit qui en résultent, afin d'obtenir le profil désiré pour le dit produit. L'invention a aussi pour but de limiter l'effet des surpressions locales ou temporaires qui peuvent être provoquées, dans le cas de la coulée entre cylindres, par des variations de l'état de solidification de la bande coulée ou autres phénomènes parasites qui pourraient conduire, comme il est connu de le faire en de telles circonstances, à faire varier l'écartement des paliers supportant les cylindres pour limiter ces surpressions. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un cylindre pour un laminoir ou une installation de coulée continue entre deux tels cylindres, comportant un moyeu et une virole extérieure coaxiale avec le moyeu, caractérisé en ce qu'il comporte, entre le moyeu et la virole extérieure, une virole déformable comprenant une pluralité de cellules annulaires axialement juxtaposées et alimentées par un liquide sous pression, chaque cellule étant délimitée par une paroi cylindrique interne en contact avec le moyeu et une paroi cylindrique externe en contact avec la virole extérieure, reliées par deux parois latérales déformables présentant, en section selon un plan radial, des faces convexes disposées en regard l'une de l'autre. Comme on le comprendra mieux par la suite, la pression qui s'exerce dans chaque cellule sur les faces convexes des parois latérales tend à les redresser et, par l'effet de genouillère qui en résulte (c'est-à-dire l'effet d'arc-boutement des parois latérales entre les parois cylindriques interne et externe), génère au niveau de la cellule considérée une force d'écartement des dites parois cylindriques l'une de l'autre. Du fait de la rigidité du moyeu, la paroi cylindrique interne n'est pas susceptible de se déformer sensiblement et la dite force d'écartement se traduit donc par des efforts radiaux importants sur la paroi cylindrique externe, qui conduisent à une augmentation de son rayon, et donc à la déformation de la virole extérieure. Comme on le comprendra aisément, ces efforts sont d'autant plus importants que la convexité des parois latérales est faible, tout en restant bien sûr au-delà d'un minimum pratique nécessaire pour éviter une inversion de la convexité des parois, c'est-à-dire un bombé, sous l'effet de la pression interne de la cellule. On notera que la déformation radiale des parois externes des cellules conduit nécessairement à un allongement circonférentiel de ces parois. Cet allongement, de même que la déformation des parois latérales des cellules est possible, en restant dans les limites d'élasticité des matériaux qui les constituent, du fait que leurs amplitudes restent faibles, les variations dimensionnelles recherchées pour corriger le profil du cylindre conformément au but de l'invention étant de l'ordre du micron au dixième de millimètre sur le rayon du cylindre, lequel est classiquement de l'ordre de plusieurs décimètres. L'homme du métier comprendra aisément que la pression interne de la cellule a naturellement un effet direct d'écartement des parois cylindriques, dû à l'effort généré par la pression sur les dites parois cylindriques. Toutefois, l'effort radial sur la paroi cylindrique externe et sur la virole extérieure, dû à l'effet de genouillère mentionné ci-dessus, s'y ajoute, et de manière prédominante, dès lors que la convexité des parois latérales est suffisamment faible et que la largeur de la cellule (dans la direction axiale du cylindre) est limitée par rapport à son épaisseur (dans la direction radiale) Ces deux aspects vont d'ailleurs de pair du fait que, pour une épaisseur, ou hauteur, donnée de la cellule, sa largeur peut être d'autant plus réduite que la convexité est faible. De plus, plus la largeur de chaque cellule est faible, plus le nombre de cellules juxtaposées peut être grand pour une distance axiale donnée, et donc plus l'effort d'écartement des parois cylindriques exercé globalement sur la dite distance axiale peut être important, puisque l'effort dû au dit effet de genouillère généré par chaque cellule est multiplié par le nombre de cellules, alors que l'effort global résultant de la pression exercée directement sur les parois cylindriques ne dépend essentiellement que de la longueur axiale de la zone de paroi cylindrique soumise à cette pression et non du nombre de cellules juxtaposées sur cette longueur. Par ailleurs, il sera aisément compris que, outre l'augmentation de l'effort global, l'utilisation d'une multiplicité de cellules juxtaposées permet, comme on le verra mieux par la suite, de contrôler plus efficacement les déformations locales du cylindre en réglant de manière indépendante la pression par cellule ou par groupe de cellules juxtaposées. A cet effet, selon une disposition particulière de l'invention, l'ensemble des cellules peut être divisé en plusieurs groupes de cellules juxtaposées, les cellules d'un même groupe étant reliées et alimentées sous une même pression, les pressions d'alimentation de deux groupes distincts pouvant être réglées de manière indépendante. Les cellules pourront être réparties sur toute la longueur axiale de la virole extérieure, ou alternativement sur seulement une partie de cette longueur, par exemple uniquement vers ses deux extrémités ou, inversement, uniquement dans sa partie médiane, afin de pouvoir plus particulièrement agir sur la déformation de la virole extérieure dans les zones correspondantes, la virole extérieure pouvant alors être solidarisée directement sur le moyeu, de manière connue en soi, dans la ou les zones axiales dépourvues de cellules. La virole déformable pourra être constituée de cellules séparées ayant chacune ses parois cylindriques interne et externe spécifiques, ces cellules étant alors juxtaposées par empilement dans la direction axiale entre la virole extérieure et le moyeu. Alternativement, les parois cylindriques interne et externe pourront être respectivement constituées d'une seule et même pièce pour un ensemble de cellules juxtaposées, sur laquelle les parois latérales de chaque cellule sont solidarisées. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un cylindre conforme à l'invention pour une installation de coulée continue entre deux cylindres et de quelques exemples d'application de l'invention à des cylindres de laminoir. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe selon un plan radial d'un cylindre conforme à l'invention, pour une installation de coulée continue entre cylindres - les figures 2 et 3 illustrent schématiquement deux applications possibles d'un cylindre conforme à l'invention dans des cages de laminoirs - les figures 4 et 5 représentent deux variantes de réalisation dans lesquelles les cellules ne sont utilisées que sur une partie de la longueur axiale de la virole - la figure 6 illustre encore un autre mode de réalisation dans lequel la virole déformable est formée d'une pluralité de cellules indépendantes juxtaposées axialement. Le cylindre représenté figure 1 est particulièrement destiné à une installation de coulée continue entre deux cylindres, dont le principe est bien connu. On rappelle simplement ici qu'une telle installation comporte deux cylindres dont les parois sont énergiquement refroidies par une circulation interne d'un liquide de refroidissement. Dans l'installation de coulée, ces cylindres ont leurs axes parallèles, situés dans un plan horizontal, et sont entraînés en rotation de sens contraire. On pourra notamment se référer aux documents EP-A-0 499 562 et EP-A-0428464 pour plus d'informations sur la disposition de ces cylindres et les moyens connus de refroidissement de leurs parois. Le cylindre de la figure 1 comprend un arbre 1, un moyeu 2, une virole extérieure 3 et une virole intermédiaire déformable 4, située entre le moyeu 1 et la virole extérieure 3, et co-axialement à ceux-ci. La virole extérieure 3, en cuivre ou alliage ayant une bonne conductibilité thermique, comporte une pluralité de canaux de refroidissement 31, s'étendant dans la direction axiale et forés dans l'épaisseur de la virole. Des canaux de répartition 21 sont aménagés dans le moyeu 2, pour amener un liquide réfrigérant dans les canaux de refroidissement 31, ce liquide y étant alimenté et évacué par des canaux d'alimentation 22 et de retour 23 percés dans des joints tournants d'extrémités 24, 25. Le mode de réalisation de ces divers canaux formant ensemble un circuit général de refroidissement pourra être modifié sans sortir du cadre de l'invention. On pourra notamment se reporter au document EP-A-0428464, décrivant d'autres réalisations possibles du circuit de refroidissement. La virole intermédiaire 4 comporte une paroi cylindrique interne 41 en contact avec le moyeu 2 et une paroi cylindrique externe 42 en contact avec la virole extérieure 3. La paroi cylindrique interne 41 est maintenue en position axiale en butée contre un épaulement 26 du moyeu, au moyen d'un écrou 27. Les parois cylindriques internes 41 et externes 42 définissent entre elles une pluralité de cellules annulaires 43 délimitées par des parois latérales 44, 44' . Chaque cellule 43 a une forme d'anneau creux ayant pour axe l'axe de rotation A du cylindre. Chaque cellule 43 est délimitée - vers l'axe du cylindre, par une portion de la paroi cylindrique interne 41, - vers l'extérieur, par une portion de la paroi cylindrique externe 42, - et latéralement par les parois latérales 44, 44'. En section selon un plan radial, comme on le voit figure 1, les deux parois latérales 44, 44' d'une cellule 43 quelconque sont incurvées avec leurs faces convexes disposées en regard l'une de l'autre. Chaque paroi latérale 44, 44' est solidarisée, par exemple par des soudures 45, respectivement sur la paroi cylindrique interne 41, et sur la paroi cylindrique externe 42. Les parois latérales 44, 44' ont une épaisseur faible, par exemple de l'ordre de quelques millimètres pour pouvoir se déformer élastiquement sous l'effet d'une pression interne appliquée dans chaque cellule. Le positionnement axial de la virole extérieure 3 par rapport à la virole déformable 4 est défini par exemple par des segments 32 placés dans une rainure circonférentielle réalisée dans la paroi cylindrique externe 42 et qui sont poussés lors du montage du cylindre, au moyen de tiges 33, dans une rainure correspondante réalisée dans l'alésage de la virole extérieure 3. On comprendra aisément que dans un tel cas, la virole extérieure 3 est d'abord placée sur la virole déformable 4, puis les segments 32 sont poussés par les tiges 33, par l'intérieur de la virole déformable, pour assurer un clavetage axial des deux viroles l'une sur l'autre, et seulement ensuite l'ensemble des deux viroles est monté sur le moyeu 2. Les cellules 43 sont alimentées en fluide sous pression par des canalisations d'alimentation 51, 52, 53 reliées chacune à une source (non représentée) de liquide sous pression ajustable de manière indépendante. Dans l'exemple représenté, la canalisation 51 alimente directement la première cellule, du côté gauche de la figure 1, et les trois cellules suivantes, par les canalisations de raccordement 51', qui relient deux cellules adjacentes en passant à travers leurs parois latérales respectives. La canalisation 52 traverse les quatre premières cellules et débouche dans la cinquième, et alimente en série les sept cellules suivantes, par les canalisation de raccordement 52'. De manière similaire, la canalisation 53 alimente les quatre dernières cellules, sur la droite de la figure 1. On peut ainsi ajuster spécifiquement la pression dans chacun des groupes de cellules reliées entre elles par les canalisation intermédiaires. Les diverses canalisations d'alimentation des cellules sont préférentiellement formées de tuyauteries métalliques en tube rigide, soudées ou brasées sur les parois latérales 44, 44' à la traversée de ces parois, pour assurer l'étanchéité. Elles sont cependant suffisamment déformables pour accepter les déformations des parois latérales 44, 44' lors de la mise sous pression des cellules, ces déformations restant de faible amplitude. On notera encore que la liaison entre les canaux de refroidissement 31 de la virole extérieure 3 et les canaux de répartition 21 du moyeu est assurée par les espaces 48 situés entre deux cellules adjacentes des deux groupes de cellules situés vers les extrémités axiales du cylindres. Les diamètres respectifs du moyeu 2, de la virole extérieure 3 et de la virole déformable 4 sont déterminés de manière à avoir un ajustement sans jeu, ou même légèrement serré, lorsque les cellules ne sont pas sous pression. Afin de faciliter le montage, les compartiments entre cellules peuvent alors être mis sous pression, au moyen d'autres canalisations non représentées mais facilement réalisables par l'homme du métier, de manière à réduire légèrement l'épaisseur de la virole déformable et créer ainsi un léger jeu radial entre la virole déformable et la virole extérieure et/ou entre la virole déformable et le moyeu. Lors de l'utilisation, la pression dans chaque groupe de cellules est ajustée à la valeur souhaitée de manière à créer un gonflement plus ou moins important des cellules, c'est à dire un écartement des deux parois latérales d'une même cellule, entraînant une déformation radiale de la virole extérieure. Les pressions d'alimentation des cellules pourront par exemple être réglées par des servo-valves montées sur les canalisations d'alimentation 51, 52, 53 et pilotées par des moyens de mesure de la planéité de la bande coulée (tel que par exemple rouleau de planéité ou jauge de profil) ou par des capteurs mesurant les déformations de la virole extérieure, de manière à obtenir le profil requis de la surface extérieure des cylindres, et donc le profil souhaité de la bande. Le dessin de la figure 2 illustre une première application d'un cylindre selon l'invention comme cylindre de laminage 100 dans une cage de laminoir en montage appelé "duo". Un seul ou les deux cylindres peuvent être réalisés conformément à l'invention. On notera que dans l'exemple présenté sur cette figure, un premier groupe de cellules est formé par les cellules 430 situées vers les deux extrémités axiales qui sont toutes alimentées à partir d'une première canalisation de répartition 510, et un deuxième groupe est formé par les cellules 431 situées dans la partie axialement médiane du cylindre et alimentés à partir d'une deuxième canalisation 520. Cet exemple montre une variante de réalisation de l'alimentation des cellules, qui se fait ici par des canaux radiaux 511, 521, forés dans le moyeu et traversant la paroi cylindrique interne 410 de la virole déformable 400. Chaque cellule est ainsi alimentée par un canal radial 511, 521, tous les canaux radiaux alimentant les cellules d'un même groupe de cellule étant raccordés sur la même canalisation d'alimentation forée dans le moyeu 200 selon une direction axiale. Une réalisation similaire pourrait bien sûr être adaptée au cas du cylindre de coulée décrit précédemment. La figure 3 illustre une autre application du cylindre selon l'invention comme cylindre de soutien 110 dans une cage de laminage en montage quarto. La figure 4 illustre une autre mode de réalisation d'un cylindre conforme à l'invention, dans lequel le moyeu 210 comporte un épaulement médian 211 de diamètre sensiblement égal au diamètre interne de la virole extérieure 310. La virole extérieure 310 peut être rigidement liée sur le dit épaulement 211, les cellules 430 étant alors placées uniquement vers les extrémités axiales, de chaque côté de l'épaulement. A l'inverse de l'exemple précédent, la figure 5 montre une réalisation dans laquelle le moyeu 220 comporte une épaulement 221 situé vers une extrémité axiale du cylindre et sur lequel porte directement un bord de la virole. Le bord axialement opposé de la virole porte sur une bague 222 emmanchée sur le moyeu. La virole déformable est située dans la partie axialement médiane du cylindre, entre l'épaulement 221 et la bague 222. Un écrou 223 assure le maintien axial de la bague 222. Dans la variante de la figure 6, la virole déformable 404 est constituée d'une juxtaposition, selon la direction axiale, de plusieurs cellules indépendantes 414, c'est-à-dire que dans ce cas, les parois cylindriques interne et externe ne sont pas communes à plusieurs cellules comme dans les exemples décrits précédemment. Chaque cellule 414 comporte ici sa propre paroi cylindrique externe 415 et sa propre paroi cylindrique interne 416 qui forment avec les parois latérales un élément, de forme générale torique, indépendant. La virole déformable est alors constituée lors du montage par l'empilement de plusieurs de ces éléments toriques sur toute ou une partie de la longueur axiale de la virole extérieure. Cette variante autorise une meilleure facilité d'entretien de l'installation. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et applications décrits ci-dessus uniquement à titre d'exemple. En particulier, les diverses variantes de réalisation des cellules et de leurs moyens d'alimentation sous pression pourront être combinées entre elles dans un même cylindre. REVENDICATIONS 1. Cylindre pour un laminoir ou une installation de coulée continue entre deux tels cylindres, comportant un moyeu (2) et une virole extérieure (3) coaxiale avec le moyeu, caractérisé en ce qu'il comporte, entre le moyeu (2) et la virole extérieure (3), une virole déformable (4) comprenant une pluralité de cellules annulaires (43) axialement juxtaposées et alimentées par un liquide sous pression, chaque cellule (43) étant délimitée par une paroi cylindrique interne (41) en contact avec le moyeu et une paroi cylindrique externe (42) en contact avec la virole extérieure, reliées par deux parois latérales (44, 44') déformables présentant, en section selon un plan radial, des faces convexes disposées en regard l'une de l'autre. 2. Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble des cellules (43) est divisé en plusieurs groupes de cellules juxtaposées, les cellules d'un même groupe étant reliées et alimentées sous une même pression, les pressions d'alimentation de deux groupes distincts pouvant être réglées de manière indépendante. 3. Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules (43) sont réparties sur toute la longueur axiale de la virole extérieure (3). 4. Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules (43) sont réparties sur seulement une partie de la longueur axiale de la virole extérieure (3). 5. Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la virole déformable (4) est constituée de cellules séparées (414) ayant chacune ses parois cylindriques interne (416) et externe (415) spécifiques, ces cellules étant juxtaposées par empilement dans la direction axiale entre la virole extérieure et le moyeu. 6. Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois cylindriques interne (41) et externe (42) sont respectivement constituées d'une seule et même pièce pour un ensemble de cellules juxtaposées, sur laquelle les parois latérales (44, 44') de chaque cellule sont solidarisées. 7. Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules (430, 431) sont alimentées sous pression par des canaux radiaux (511, 521) réalisés dans le moyeu et traversant la paroi cylindrique interne (410) de la virole déformable (400). 8. Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux cellules (43) adjacentes d'un même groupe de cellules sont reliées par des canalisations déformables (51', 52') passant à travers les parois latérales (44, 44') des dites cellules. 9. Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la virole extérieure (3) comporte des canaux de refroidissement internes (31), l'alimentation de ces canaux de refroidissement étant réalisée par des passages (48) situés entre deux cellules (43) adjacentes. 10. Installation de coulée continue entre cylindres caractérisée en ce qu'elle comporte deux cylindres selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 11. Cage de laminoir caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un cylindre selon l'une des revendications 1 à 7.