Connaissances globales des scientifiques et lamineurs en huile entière

Pour pouvoir être utilisé par les emboutisseurs, l’acier coulé en brame doit être réduit en épaisseur. C’est précisément le rôle des laminoirs que de transformer ces brames (d’épaisseur ~200 mm) en produits plats (dont l’épaisseur est inférieure au mm).

Les laminoirs sont des bâtis en acier appelés cages dans lesquels, deux cylindres tournant en sens inverse vont entraîner la tôle, l’écraser et la réduire en épaisseur. La réduction de la tôle se fait par passage de celle-ci à travers une série de cages appelée train : chaque cage réduisant un peu plus la tôle en formation jusqu’à ce que l’épaisseur visée soit atteinte.

Dans le laminage il faut distinguer le laminage à chaud (800 – 1200 °C) qui intervient directement sur les pièces coulées de grande épaisseur, du laminage à froid (T < 200 °C) situé en bout de chaîne. Les capacités de déformation de l’acier étant bien supérieures à chaud qu’à froid, l’essentiel de la réduction se fait lors du laminage à chaud. L’épaisseur des tôles à laminer à froid est comprise entre 1,5 mm et 6 mm. L’épaisseur finale demandée est de 0,5 mm à 0,8 mm pour les tôles destinées aux constructeurs automobiles. Pour les tôles relaminées, constitutives des boîtes boisson, l’épaisseur finale est de 0,17 mm. En laminage à froid, le train étant généralement constitué de quatre à cinq cages, la réduction par passe varie de 20 % à 40 %.

De l’huile entière à l’émulsion … 

Le lubrifiant joue un rôle fondamental dans le procédé de laminage, tant au niveau de la qualité du produit obtenu, qu’en ce qui concerne la durée de vie de l’outil [1]. Aussi les hommes n’ont eu de cesse, à travers les âges, d’améliorer ses qualités ; Combinant les produits, testant les huiles, de toute provenance et de toute nature : animale, végétale, minérale… A force de recherche et d’essais, le lubrifiant, initialement d’huile entière, est devenu émulsion, pour le laminage de l’acier, durant la seconde moitié du 20ème siècle.

La lubrification, par émulsion d’huile dans l’eau, a ceci d’exceptionnel, qu’elle combine le caractère lubrifiant de l’huile et le haut pouvoir réfrigérant de l’eau.

Qu’est-ce qu’une émulsion ? 

Une émulsion d’huile dans l’eau est une dispersion de gouttelettes d’huile dans l’eau, stabilisées par un tensioactif.

Dans le sens où l’huile et l’eau n’ont pas le même pouvoir lubrifiant, le taux d’huile du lubrifiant-émulsion doit être le même, au cours du temps, dans tout le circuit d’alimentation. Si cette condition de constance n’est pas respectée, le liquide envoyé sur la tôle et les cylindres sera tantôt plus chargé en huile tantôt plus chargé en eau. En conséquence le système (s’il se trouve en état de sousalimentation) est suivant le cas plus ou moins bien lubrifié. Pour un procédé industriel comme le laminage à froid, où ce qui se passe dans une cage est automatiquement répercuté sur la cage aval, (et ainsi de suite tout au long du train) induire de telles instabilités serait tout à fait intolérable. Comme l’eau et l’huile ne sont pas miscibles, pour atteindre la constance requise, la solution consiste précisément à rendre le mélange eau – huile macroscopiquement homogène. C’est tout le rôle du tensioactif que d’y parvenir.

Connaissances globales des scientifiques et lamineurs en huile entière 

Introduisons deux grilles d’analyse des problèmes de lubrification. D’une part, le niveau de frottement, les interactions entre surfaces, leurs dégradations éventuelles, sont essentiellement fonctions de l’épaisseur de film lubrifiant interposé, plus généralement du troisième corps. D’autre part les caractéristiques et le fonctionnement d’un système lubrifié dépendent fortement aussi du comportement mécanique des solides en contact, de leur déformation. Nous allons examiner successivement ces deux aspects.

Trois régimes de lubrification

Le critère permettant de dire quelle est la nature du régime de lubrification est la valeur du rapport ht/Rq, avec Rq la rugosité composite et ht l’épaisseur de film d’huile moyen [9].

Régime hydrodynamique : ht>3Rq

Présentation

En régime hydrodynamique, la pression d’interface est entièrement supportée par le fluide lubrifiant (Pb) : il n’y a aucun contact métal-métal, les deux surfaces peuvent ainsi aisément glisser l’une sur l’autre . En conséquence, ce régime de lubrification se caractérise par des forces de frottement relativement faibles. Cependant, il n’est que rarement utilisé en laminage : d’une part à cause du risque de surlubrification et donc de patinage ; d’autre part car dans ces conditions la déformation plastique de la bande s’effectue en surface libre : générant ainsi des défauts de surface, comme par exemple la croissance non maîtrisée de la rugosité qui entraîne une altération de la brillance du produit laminé.

Malgré la faible occurrence de ce régime dans l’industrie du laminage il fut très étudié car il permet de rendre compte du comportement de l’écoulement du lubrifiant dans les vallées en régime mixte . La mécanique des films fluides minces (associée à la résolution de l’équation de Reynolds) permet de retrouver tous les résultats expérimentaux de ce mode de lubrification [3] : notamment la relation de proportionnalité existant entre l’épaisseur du film en un endroit donné et le produit de la viscosité par la vitesse : (h α µ.v ). Ainsi malgré sa très faible viscosité, pour de grandes vitesses (d’autant plus grandes que la viscosité est faible) l’eau peut devenir un lubrifiant. C’est précisément le phénomène d’aqua-planing : à haute vitesse, un film d’eau d’épaisseur tribologiquement significative se positionne entre le pneu et la chaussée, supprimant toute adhérence de celui-ci sur celle là.

Problème de patinage

La tôle n’est pas poussée dans le convergent. C’est le cylindre qui en tournant, grâce aux forces de frottement motrices, entraîne la tôle et la fait progresser. Durant cette phase la vitesse de la tôle est inférieure à la vitesse des cylindres.

Par conséquent le frottement, ou du moins ce frottement « moteur » de début d’emprise, est nécessaire au procédé de laminage.

La tôle progresse dans le convergent, l’espace se restreint, la pression augmente et la tôle commence à se déformer : d’abord de manière élastique puis de manière plastique. De ce fait, la tôle réduite en épaisseur s’allonge. Conservation de la masse oblige, la tôle amincie se voit expulsée du contact avec une vitesse supérieure à la vitesse des cylindres. Par conséquent, le frottement, de la tôle sur les cylindres, né de cette expulsion, agit comme un frein et tend à en gêner la sortie.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 : Etude Bibliographique
Plan
Introduction
I. Connaissances globales des scientifiques et lamineurs en huile entière
1. Trois régimes de lubrification
2. Elasto-Hydrodynamique (EHD) et Plasto-Hydrodynamique (PHD)
3. Evolution du frottement en fonction de la vitesse
4. Conclusion
II. Paramètres influençant la lubrification par émulsion
1. Influence de la vitesse
2. Influence du taux initial d’huile
3. Influence de la taille des gouttes d’huile
4. Influence de la chimie
5. Conclusion
III. Modèles
1. Modèle à viscosité efficace
2. Modèle de Szeri
3. Modèle de Wilson
4. Modèle de sous-alimentation
5. Conclusion
Conclusion
Chapitre 2 : Entrée de l’eau ou modélisation des phénomènes hydrodynamiques
Plan
Introduction
I. Mise au point du modèle numérique sur le cas monophasique
1. Contact cylindre/plan
2. Zone d’entrée en laminage
3. Conclusion
II. Modèle diphasique de Wilson
1. Modèle : interaction des flux et huile piézo-visqueuse
2. Conditions aux limites
3. Méthodes de résolution
4. Résultats et discussion en laminage
5. Première tentative de simplification
6. Deuxième tentative de simplification
7. Analyse de hcp et Uc2
8. Etude paramétrique
9. Conclusion
III. Modèle diphasique de Szeri
1. Equations de Szeri
2. Méthode de résolution
3. Position du ménisque
4. Résultats du modèle
5. Comparaison Szeri-Wilson
6. Modèle de Szeri lorsque rg<<h
IV. Modèle couplé Szeri-Wilson
1. Présentation
2. Continuité des modèles
3. Résultats
4. Comparaison : modèle de Szeri et modèle couplé Szeri – Wilson
5. Comparaison : modèle de Wilson et modèle couplé Szeri – Wilson
Conclusion
Chapitre 3 : Décroissance ou dégradation du plate-out
Plan
Introduction
I. Comment améliorer la physique du modèle hydrodynamique
1. Amorce du mécanisme de Wilson
2. Intégrité des piliers
3. Conclusion
II. Le plate-out
1. Formation du plate-out
2. Destruction du plate-out
3. Couplage Plate-out – Szeri – Wilson
4. Conclusion
Conclusion
Conclusion et perspectives
Bibliographie
Annexe

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