Brevet FR2952558A1 — publié le 20110520

Procédé de fabrication d'une pièce métallique tubulaire La présente invention concerne un procédé de fabrication, à partir d'un lingot creux, d'une pièce métallique de forme générale tubulaire et de grandes dimensions. On connaît déjà dans l'état de la technique un procédé de fabrication, à partir d'un lingot creux, d'une pièce métallique de forme générale tubulaire et généralement de grandes dimensions, du type comprenant les étapes suivantes : - étirage axial du lingot creux par forgeage sur une presse à forger, - travail du lingot étiré de façon à réaliser une ébauche de forme générale tubulaire, ayant une forme et des dimensions, en particulier un diamètre intérieur, prédéterminées, et - usinage de l'ébauche, de façon à lui donner les dimensions et la forme de la pièce métallique finie. Habituellement, une telle pièce tubulaire, dite de grandes dimensions, présente un diamètre extérieur de l'ordre de 3 à 5 mètres, une épaisseur de l'ordre de 100 à 300 millimètres, et une longueur de l'ordre de 3 à 5 mètres. Conformément à ce procédé, le lingot creux est monté dans une presse à forger pour subir des étapes de forgeage, en particulier d'étirage axial, et de travail du lingot ainsi étiré. Le travail du lingot étiré comprend habituellement entre trois et six étapes de bigornage, permettant d'obtenir une ébauche épaisse dont les dimensions sont sensiblement similaires à celles de la pièce métallique finie. Cette ébauche est ensuite usinée en vue d'obtenir la pièce métallique finie. Les étapes de bigornage, destinées à obtenir l'ébauche, étant réalisées dans la presse à forger, il apparaît que les dimensions de cette presse limitent les dimensions de l'ébauche obtenue. En outre, le lingot creux étant monté dans la presse durant toute la fabrication de l'ébauche, ce n'est qu'une fois l'ébauche terminée que la presse peut accueillir un nouveau lingot creux. Ainsi, le rendement de fabrication des ébauches n'est pas optimal. L'invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients en fournissant un procédé de fabrication d'une pièce métallique dont les dimensions ne sont pas limitées par celles d'une presse de forgeage. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication du type précité, dans lequel le travail du lingot étiré comprend les étapes suivantes : - bigornage du lingot étiré sur la presse à forger, de façon à former une préforme intermédiaire, de forme générale tubulaire, ayant un diamètre intérieur sensiblement inférieur au diamètre intérieur prédéterminé de l'ébauche, et - laminage de la préforme intermédiaire sur un laminoir circulaire, permettant de former l'ébauche. Ainsi, le dimensionnement de l'ébauche, de façon à lui donner les dimensions prédéterminées de la pièce métallique finie, est réalisé par laminage sur un laminoir circulaire plutôt que par étapes successives de bigornage. Un tel laminoir circulaire implique peu de contraintes dimensionnelles, ce qui permet de fabriquer des pièces métalliques de grandes dimensions, indépendamment des dimensions de la presse à forger. Par ailleurs, on notera qu'une étape de laminage est relativement rapide à mettre en oeuvre, une telle étape durant généralement dix minutes. Une étape de laminage est donc plus rapide à mettre en oeuvre que plusieurs étapes successives de bigornage. Ceci permet d'augmenter le rendement de fabrication de pièces métalliques, d'autant plus qu'un nouveau lingot creux peut être monté dans la presse à forger pendant que le lingot précédent subit l'étape de laminage. Un procédé de fabrication selon l'invention peut comporter en outre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison. La pièce métallique est une virole de hauteur comprise entre 2 et 6 mètres, de diamètre moyen d'au moins 3 mètres, et dont la masse est inférieure ou égale à 350 tonnes. Un procédé de l'état de la technique connu ne permet pas de réaliser facilement des pièces de telles dimensions. Au cours de l'étape d'étirage axial, le lingot creux est supporté dans la presse à forger par un mandrin de support inséré dans ce lingot creux. Le procédé comporte une unique étape de bigornage du lingot étiré, cette étape de bigornage étant destinée à augmenter par étirage le diamètre intérieur de la préforme intermédiaire de manière suffisante pour permettre le dégagement de cette préforme intermédiaire du mandrin. Cette étape de bigornage est relativement rapide, puisqu'elle est uniquement destinée à permettre le dégagement de la préforme intermédiaire. L'étape de laminage est réalisée à l'aide d'un laminoir circulaire, comportant au moins un laminoir radial comprenant un cylindre moteur, destiné à coopérer avec une surface extérieure de la préforme intermédiaire, et un mandrin rotatif, mobile radialement par rapport à la préforme intermédiaire, destiné à coopérer avec une surface intérieure de la préforme intermédiaire. L'étape de laminage est réalisée à l'aide d'un laminoir circulaire, comportant au moins un laminoir axial comprenant au moins deux rouleaux coniques motorisés, destinés à coopérer respectivement avec les extrémités de la préforme intermédiaire, l'un au moins des rouleaux étant mobile axialement. Le lingot creux est réalisé en un matériau choisi parmi un acier au carbone, un acier de construction, un acier inoxydable et un alliage Fer-Nickel. Le procédé de fabrication comporte, préalablement au bigornage, une étape de coupe des extrémités du lingot étiré, et une étape de nettoyage des surfaces de ce lingot étiré. Le procédé de fabrication comporte au moins une étape de traitement thermique de la pièce métallique, par exemple une étape de trempe, de revenu et/ou de recuit de la pièce métallique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique annexée représentant schématiquement les étapes du procédé de fabrication selon un exemple de mode de réalisation de l'invention. On a représenté sur la figure unique un procédé de fabrication d'une pièce métallique 10 de forme générale tubulaire et de grandes dimensions. Par exemple, la pièce métallique 10 est une virole de hauteur comprise entre 2 et 6 mètres, de diamètre moyen d'au moins 3 mètres, et dont la masse peut atteindre jusqu'à 350 tonnes. Cet exemple n'a bien entendu aucun caractère limitatif. Cette virole 10 est fabriquée à partir d'un lingot creux 10A métallique de forme générale tubulaire s'étendant longitudinalement le long d'un axe. Le lingot creux 10A est par exemple réalisé en acier au carbone, en acier de construction ou en acier inoxydable. Par exemple, le lingot creux est réalisé en acier au carbone comprenant jusqu'à 0.35% de carbone, en acier de construction comportant moins de 0.35% de carbone, jusqu'à 2.5% d'un élément d'alliage tel que le manganèse, et jusqu'à 12% d'une somme d'éléments d'alliage tels que le Nickel, le Chrome et le Molybdène, en acier inoxydable austénitique ou ferritique, ou en un alliage Fer/Nickel comprenant plus de 40% de Nickel. Le lingot creux 10A est monté dans une presse à forger 12, dans laquelle il est supporté par un mandrin de support 14 inséré dans ce lingot creux 10A. Dans cette presse à forger 12, le lingot creux 10A est soumis à une première étape 100 d'étirage axial par forgeage, permettant d'augmenter sa longueur dans la direction axiale. Au terme de cette étape de tirage 100, on obtient un lingot étiré 10B qui est alors de préférence soumis à une étape 110 de coupe des extrémités de ce lingot étiré 10B et de nettoyage de ses surfaces. Le lingot étiré 10B ainsi obtenu est ensuite soumis à un travail du métal destiné à réaliser une ébauche 10D de forme générale tubulaire, ayant une forme et des dimensions, en particulier un diamètre intérieur, un diamètre extérieur, une épaisseur et une hauteur, prédéterminées. Ce travail du lingot étiré 10B comporte une étape 120 de bigornage de ce lingot étiré 10B, réalisé sur la presse à forger 12, de façon à former une préforme intermédiaire 10C, de forme générale tubulaire, dont le diamètre intérieur est sensiblement inférieur au diamètre intérieur prédéterminé de l'ébauche 10D. C'est le mandrin 14 lui-même qui assure le bigornage, puisque cette opération a lieu sur la presse à forger 12. On rappelle qu'une étape de bigornage est une étape de forgeage permettant d'augmenter les diamètres d'une pièce tubulaire en réduisant son épaisseur. Cette étape de bigornage 120 est de préférence unique, et de courte durée. En effet, cette étape de bigornage 120 est uniquement destinée à augmenter par étirage le diamètre intérieur de la préforme intermédiaire 10C, de manière suffisante pour permettre son dégagement du mandrin 14. La préforme intermédiaire 10C est alors retirée de la presse 12, qui peut ainsi accueillir un nouveau lingot creux. Le procédé de fabrication comporte ensuite une étape 130 de laminage de la préforme intermédiaire 10C sur un laminoir circulaire 16, permettant de former l'ébauche 10D. A cet effet, le laminoir circulaire 16 comporte au moins un laminoir radial 18 comportant au moins un cylindre moteur 20 destiné à coopérer avec une surface extérieure de la préforme intermédiaire 10C, et un mandrin rotatif 22, mobile radialement par rapport à la préforme intermédiaire 10C, destiné à coopérer avec une surface intérieure de la préforme intermédiaire. Ainsi, la préforme intermédiaire est laminée entre le cylindre moteur 20 et le mandrin rotatif 22, ce qui permet d'augmenter son diamètre et de diminuer son épaisseur jusqu'à obtenir le diamètre intérieur, le diamètre extérieur et l'épaisseur prédéterminés. Le laminoir circulaire comporte également au moins un laminoir axial 24 comprenant au moins deux rouleaux coniques 26 motorisés, destinés à coopérer chacun avec une extrémité de la préforme intermédiaire 10C, afin de réduire la hauteur de cette préforme intermédiaire jusqu'à la hauteur prédéterminée. A cet effet, au moins l'un des rouleaux 26 est mobile axialement par rapport à la préforme intermédiaire. En outre, les rouleaux coniques sont de préférence déplaçables radialement par rapport à la préforme intermédiaire, afin de pouvoir suivre l'augmentation de son diamètre. Enfin, le laminoir 16 comporte de préférence deux rouleaux centreurs latéraux 28 destinés à assurer le bon positionnement de la préforme intermédiaire 10C au cours de son laminage. Au terme de cette étape 130 de laminage, on obtient l'ébauche 10D de dimensions prédéterminées. On passe ensuite à une étape 140 classique d'usinage de l'ébauche, de façon à lui donner les dimensions et la forme très précises de la pièce métallique finie 10. De manière optionnelle, le procédé peut comporter au moins une étape finale de traitement thermique de la pièce métallique 10, par exemple une étape de trempe, de revenu et/ou de recuit de cette pièce métallique 10. Il apparaît clairement que l'invention permet d'obtenir des pièces métalliques 10 dont les dimensions ne sont pas limitées par celles de la presse 12. En particulier, on peut observer une augmentation en diamètre de 25 à 45% entre la préforme intermédiaire 10C forgée et l'ébauche 10D laminée. En outre, on notera que l'invention permet une bonne reproductibilité des pièces métalliques. En particulier, l'étape de laminage 130 permet d'obtenir des dimensions de l'ébauche 10D, notamment une épaisseur, très proches des dimensions de la pièce finie 10, limitant l'ampleur de l'étape d'usinage 140. Enfin, de la même manière que les modes de fabrication connus à partir de lingots creux, l'invention donne d'excellents résultats en termes de mise au mille (rapport entre la masse de matière nécessaire à la fabrication du produit et la masse du produit final). En effet, l'invention permet une mise au mille nettement inférieure à 3, voire inférieure à 2,5. A titre illustratif non limitatif, on comparera ci-dessous des première et seconde pièces métalliques de diamètre extérieur égal à 3,8 mètres, de diamètre intérieur égal à 3,6 mètres, et de longueur égale à 4 mètres, obtenues respectivement avec le procédé de fabrication selon l'invention et un procédé de forgeage classique comportant entre trois et six étapes de bigornage. Il apparaît que la masse de matière nécessaire pour réaliser la pièce selon l'invention est sensiblement égale à 86% de la masse de matière nécessaire pour réaliser la pièce selon le procédé classique, soit une réduction de 14% de matière. Ainsi, un lingot creux classiquement utilisé ayant une masse sensiblement égale à 200 tonnes, l'invention permet une réduction de 28 tonnes de la masse mise en oeuvre. Le procédé selon l'invention permet donc un gain important sur la quantité de matière mise en oeuvre. Par ailleurs, on notera que l'étape de bigornage du procédé de l'invention est plus courte que celle d'un procédé classique. En effet, dans un procédé classique, on cherche à obtenir un corroyage (c'est-à-dire un rapport entre la section de départ du lingot à la section de l'ébauche obtenue) de 3, alors que dans le procédé de l'invention, on cherche uniquement à obtenir un diamètre intérieur de l'ébauche qui soit légèrement supérieur au diamètre du mandrin de laminage. Par ailleurs, le procédé classique requiert généralement plusieurs étapes de bigornage, si bien que ces étapes durent en moyenne entre 3 et 4 heures. Dans le cas du procédé de l'invention, on réalise, au lieu de ces étapes de bigornage, l'étape de laminage 130 dont la durée est de moins d'une heure. Cette durée de moins d'une heure est considérée pour une préforme intermédiaire 10C de diamètre initial intérieur de 1800 mm, de diamètre initial extérieur de 2172 mm, et pour une vitesse de rotation du cylindre moteur de 950 mm/s, une vitesse d'accroissement de diamètre de 3mm/s, et un effort maximal de laminage de 3300 tonnes. Ainsi, le procédé de l'invention permet une productivité améliorée, les opérations longues de forgeage à la presse étant réduites de par le choix du lingot creux et de par les étapes du procédé qui sont optimisées avec l'utilisation du laminoir 16. On réduit donc le temps de production d'une pièce. En outre, on permet une utilisation de la presse pour élaborer un nouveau lingot pendant que le lingot précédent est laminé. On notera que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, et pourrait comporter des variantes sans sortir du cadre des revendications. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication, à partir d'un lingot creux (10A), d'une pièce métallique (10) de forme générale tubulaire, comprenant les étapes suivantes : - étirage axial (100) du lingot creux (10A) par forgeage sur une presse à forger (12), - travail du lingot étiré (10B) de façon à réaliser une ébauche (10D) de forme générale tubulaire, ayant une forme et des dimensions, en particulier un diamètre intérieur, prédéterminées, et - usinage (140) de l'ébauche (10D), de façon à lui donner les dimensions et la forme de la pièce métallique finie (10), caractérisé en ce que le travail du lingot étiré (10B) comprend les étapes suivantes : - bigornage (120) du lingot étiré (10B) sur la presse à forger (12), de façon à former une préforme intermédiaire (10C), de forme générale tubulaire, ayant un diamètre intérieur sensiblement inférieur au diamètre intérieur prédéterminé de l'ébauche (10D), et - laminage (130) de la préforme intermédiaire (10C) sur un laminoir circulaire (16), permettant de former l'ébauche (10D). 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la pièce métallique (10) est une virole de hauteur comprise entre 2 et 6 mètres, de diamètre moyen d'au moins 3 mètres, et dont la masse est inférieure ou égale à 350 tonnes. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, au cours de l'étape d'étirage axial (100), le lingot creux (10A) est supporté dans la presse à forger par un mandrin (14) de support inséré dans ce lingot creux (10A). 4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, dans lequel le procédé comporte une unique étape (120) de bigornage du lingot étiré (10B), cette étape de bigornage (120) étant réalisée à l'aide du mandrin (14) et destinée à augmenter par étirage le diamètre intérieur de la préforme intermédiaire (10C) de manière suffisante pour permettre le dégagement de cette préforme intermédiaire (10C) du mandrin (14). 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de laminage (130) est réalisée à l'aide d'unlaminoir circulaire (16) comportant au moins un laminoir radial (18) comprenant un cylindre moteur (20), destiné à coopérer avec une surface extérieure de la préforme intermédiaire, et un mandrin rotatif (22), mobile radialement par rapport à la préforme intermédiaire, destiné à coopérer avec une surface intérieure de la préforme intermédiaire. 6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de laminage (130) est réalisée à l'aide d'un laminoir circulaire (16) comportant au moins un laminoir axial (24) comprenant au moins deux rouleaux coniques motorisés (26), destinés à coopérer respectivement avec les extrémités de la préforme intermédiaire, l'un au moins des rouleaux (26) étant mobile axialement. 7. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le lingot creux (10A) est réalisé en un matériau choisi parmi un acier au carbone, un acier de construction, un acier inoxydable et un alliage Fer-Nickel. 8. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, comportant, préalablement au bigornage (120), une étape (110) de coupe des extrémités du lingot étiré (10B), et une étape (110) de nettoyage des surfaces de ce lingot étiré (10B). 9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, comportant au moins une étape de traitement thermique de la pièce métallique (10), par exemple une étape de trempe, de revenu et/ou de recuit de la pièce métallique (10).