INSTALLATION ET PROCEDE DE LUBRIFICATION PAR ATOMISATION

POUR CYLINDRES DE LAMINAGE

Objet de l'invention

[0001] La présente invention se rapporte à une nouvelle installation de lubrification des cylindres ou rouleaux d'une ligne de laminage à chaud ou à froid. [0002] L'invention se rapporte également au procédé mis en œuvre sur l'installation.

Arrière-plan technologique et état de la technique

[0003] II est connu que le procédé de lubrification des cylindres de laminoir en sidérurgie est souvent réalisé par pulvérisation (ou vaporisation) d'une émulsion, qui est une suspension de gouttelettes d'huile dans l'eau, avec une concentration en huile variant typiquement entre 0,3 et 2 %. Il peut s'agir soit d'une émulsion stable, soit d'une émulsion instable préparée en ligne. [0004] Généralement, l' émulsion est appliquée directement sur les rouleaux de travail au moyen d'un dispositif de pulvérisation situé après les raclettes dans le but d'appliquer l'huile sur une surface sèche. Ce mode d'application assure une meilleure répartition de l'huile et par conséquent contribue à la réduction de la consommation en huile.

[0005] L'intérêt d'une bonne lubrification des rouleaux de travail n'est pas simplement limité au problème de performance des rouleaux (dégradation de surface) mais est également lié aux forces et couples de laminage à

appliquer et partant à la consommation électrique nécessaire. La nécessité d'avoir une lubrification performante est encore accrue avec l'utilisation de rouleaux de type HSS caractérisés par un coefficient de frottement plus élevé que les rouleaux traditionnels, avec des aciers plus durs et d'épaisseur plus faible, dans des conditions d'augmentation de la production et dans des conditions de qualité de surface imposées par les clients plus sévères . [0006] Dans les conditions de lubrification, le coefficient de frottement dépend de nombreux facteurs tels que la technologie d'application utilisée, la quantité d'huile, la nature de l'huile, la vitesse de flux et la concentration de l'émulsion d'huile, la température de la surface de la bande ou des cylindres, la nature et l'état des rouleaux (rugosité, dégradation, calamine, épaisseur du film d'eau, etc.), la force et la vitesse de laminage, la réduction, la nuance et l'état de surface du produit, etc. Ainsi, l'efficacité de lubrification peut être très différente d'un train de laminage à l'autre et d'une cage à l'autre dans le même train.

[0007] En laboratoire, on a déterminé que l'efficacité de lubrification est fonction de la technologie de fourniture de lubrifiant, de la nature du lubrifiant (minéral, à base d'ester, etc.) et de la quantité de celui-ci mise en œuvre. Des résultats satisfaisants sont obtenus en pulvérisant de l'huile dans des répartitions surfaciques ( "plate-out" ) de 0,1 à 1 g/m ² . [0008] Conventionnellement, le dispositif de pulvérisation de l'émulsion d'huile est soit un venturi, l'aspiration de l'huile étant réalisée par la dépression créée par de l'eau en mouvement dans le tube principal, soit un dispositif à gicleurs plats conventionnels pour l'injection d'une émulsion stable, par exemple un mélangeur

statique ("static tube mixer") où l'on procède à une injection d'huile dans une zone de tube où le cisaillement (gradient de vitesse) est augmenté grâce à la présence d' "obstacles" . Le venturi ou le "static tube mixer" est combiné à une série d'injecteurs dont le nombre est sélectionné en fonction de la largeur de bande à lubrifier (3 à 7 injecteurs pour une bande allant jusqu'à 2 mètres de large) . [0009] Le document EP-A-I 193 004 décrit un procédé de lubrification pour laminage à froid comprenant les étapes de : fourniture d'une émulsion d'huile de laminage utilisant un premier dispositif de fourniture de l'huile sous forme d'une émulsion fournie à un cylindre et une bande d'acier selon un mode en circuit fermé ainsi qu'un deuxième dispositif de fourniture de l' émulsion seulement sur les surfaces avant et arrière de la bande d'acier. Dans le deuxième dispositif, l'huile de laminage est ajoutée à un émulsifiant de même type et même concentration que ceux utilisés pour le premier dispositif, avec un contrôle de taille moyenne de particules pour que celles-ci soient plus grandes que dans le premier dispositif. L 'émulsion produite par le second dispositif n'ayant pas adhéré à la bande est récupérée en même temps que l' émulsion produite par le premier dispositif. [0010] Le document WO-A-03/002 277 divulgue une installation pour refroidir et lubrifier des rouleaux de travail dans une cage de laminage, comprenant séparément une rampe de pulvérisation d'eau de refroidissement et une rampe de pulvérisation d'huile de lubrification, d'un mélange huile/air, huile/eau ou huile/air/eau, ou encore de graisse.

[0011] Le document WO-A-03/000 437 divulgue une installation et un procédé de lubrification de rouleaux de laminage, où une émulsion d'huile dans l'eau en proportions

ajustables est préparée de façon homogène dans un mélangeur et fournie à différentes zones de pulvérisation dont la distribution est variable en largeur. Chaque zone correspond à une rangée de gicleurs, chaque gicleur étant. contrôlé par au moins une vanne-relais .

[0012] Le document JP-A-2001/179 313 divulgue un dispositif d'application de lubrifiant, que ce soit sous forme d'huile non diluée ou d'émulsion, comportant une structure en réseau permettant une adhésion uniforme du lubrifiant à un rouleau de travail dans une cage de laminoir.

[0013] Le brevet US-A-3 933 660 propose une huile réductrice de lubrification pour laminage à chaud du cuivre et de ses alliages comprenant 1000 parts en poids d'eau, 6 à 200 parts en poids d'activateur de surface anionique de type acide carboxylique, sulfate ou phosphate et 0,8 à 200 parts en poids d'au moins un composé contenant un groupement hydroxyle de type alcool, alkylène glycol ou éther glycol. L'huile de laminage procure au cuivre et à ses alliages une lubrification, une aptitude à enlever un film d'oxyde et une aptitude à prévenir la formation d'un film d'oxyde par une pulvérisation entre le cylindre de laminage et la bande à laminer à chaud. [0014] Le document JP-A-2003/129 079 divulgue une composition lubrifiante pour le travail plastique d'un métal comprenant un carboxylate, un phosphate acide métallique ou un alkylphosphonate métallique.

[0015] Le document JP-A-55 151 093 décrit un procédé de lubrification en laminage à froid d'une bande recouverte par un composé organique polaire où l'on pulvérise une émulsion d'huile et d'une composition comprenant un composé organique polaire tel que l'acide stéarique. L 'émulsion d'huile excédentaire est enlevée par essorage après

formation d'une couche d'huile adsorbée à la surface de la bande .

[0016] Le document WO-A-2005/071 050 divulgue un lubrifiant auto-émulsifiant pour le travail des métaux obtenu par maléation d'huile triglycéride végétale ou animale.

[0017] Les principaux inconvénients inhérents à ces dispositifs de pulvérisation d'une érπulsion d'huile, utilisés à l'échelle industrielle, sont les suivants : - l'interaction huile-eau, qui est fonction du type d'huile et de la "qualité" de l'eau, détermine le temps d'adhésion de l'huile sur le cylindre, ainsi que la quantité adhérente. L'efficacité des dispositifs utilisés n'est donc pas aisément prévisible ; - les performances des émulsions instables utilisées sont hautement corrélées à la capacité de maintenir une bonne dispersion de l'huile dans l'eau, ou en d'autres termes à la valeur et à la stabilité au cours du temps du taux de cisaillement obtenu, lequel est corrélé au gradient de vitesse, qui est fonction à la fois de la longueur et du diamètre du tube utilisé ainsi que du débit de l'émulsion. Il est en fait difficile de maintenir cette stabilité entre le "static tube mixer" et les différents injecteurs ; en d'autres termes, il est difficile d'assurer la contrôlabilité du coefficient de frottement obtenu ; la mise en contact de l'huile et de l'eau conduit généralement à des réactions formant une phase polymérique dure et collante, bouchant les tuyaux d'admission et les injecteurs.

[0018] Pour remédier à ces inconvénients, la Demanderesse a déjà proposé, dans le document EP-A-I 512 469, un procédé et une installation de lubrification en

ligne de cylindres de laminage à chaud permettant de maintenir constant ou en tout cas sous contrôle le frottement à l'échelle industrielle, d'augmenter l'efficacité de l'accrochage de l'huile de lubrification sur les cylindres et d'augmenter l'homogénéisation de la répartition de l'huile sur les cylindres.

[0019] Selon ce procédé, la lubrification est réalisée par pulvérisation ou atomisation d'un lubrifiant ou d'un mélange de lubrifiants au voisinage de l'interstice des cylindres de travail, au moyen d'un caisson fermé muni : d'un moyen de formation d'un nuage de gouttelettes de lubrifiant de taille inférieure à 700 μm, de préférence encore inférieure à 200 μm ; - d'un diaphragme à ouverture réglable associé audit moyen et placé sur une face avant du caisson et d'un dispositif de récupération de lubrifiant excédentaire sur la partie du diaphragme interne au caisson et sur les parois internes du caisson.

Buts de l'invention

[0020] La présente invention vise à fournir une solution qui permette de s'affranchir des inconvénients de l'état de la technique et en particulier ceux liés à l'utilisation d'émulsions huile/eau.

[0021] L'invention a pour but l'obtention d'une haute homogénéité de lubrification des cylindres, adaptable et contrôlable tant à la hausse qu'à la baisse. [0022] L'invention a encore pour but une utilisation précise et économe de lubrifiant, à très faible débit, pour la même efficacité.

[0023] L'invention a encore comme but la réalisation d'une installation ne nécessitant pas une arrivée

d'électricité au niveau de la cage, ni le chauffage de l'huile.

[0024] L'invention a encore comme but une maintenance aisée, grâce notamment à la prévention de l'obstruction des tuyauteries et des gicleurs.

[0025] L'invention a encore comme but l'élimination du risque de feu et la diminution de la pollution par le lubrifiant . [0026] L'invention a comme but additionnel de fournir des gicleurs directement montés sur un collecteur d'air commun, sous forme d'un système compact, qui les alimente et leur sert également de support mécanique. [0027] L'invention a encore comme but de fournir une installation comportant soit une pompe commune à plusieurs gicleurs par zone, soit plusieurs pompes de dosage pour plusieurs gicleurs, à raison d'une seule pompe par gicleur. [0028] L'invention a enfin comme but l'utilisation d'une huile sans pression dans le gicleur, qui soit de débit réglable.

Principaux éléments caractéristiques de l'invention [0029] Un premier objet de la présente invention, indiqué dans la revendication 1, concerne une installation de lubrification en ligne de cylindres de laminage, de préférence à chaud, d'une bande métallique, de préférence en acier, par pulvérisation ou atomisation d'un lubrifiant sur une cible comprenant lesdits cylindres et/ou ladite bande, de préférence au voisinage de l'emprise, au moyen d'une rampe d'atomiseurs à air contrôlables, disposée parallèlement auxdits cylindres et alimentée en air ou gaz inerte sous pression, caractérisée en ce que chaque atomiseur comprend une entrée pour l'air ou le gaz inerte sous pression et une entrée d'huile pure sans pression dans

un adaptateur suivi d'une chambre de mélange, ainsi qu'un gicleur de sortie pour le mélange atomisé.

[0030] Des formes d'exécution préférées de l'installation selon l'invention sont décrites dans les revendications dépendantes 2 à 13.

[0031] Un autre objet de la présente invention, indiqué dans la revendication 14, concerne un procédé de lubrification en ligne de cylindres de laminage, de préférence à chaud, d'une bande métallique, de préférence en acier, par pulvérisation ou atomisation d'un lubrifiant au moyen de l'installation précitée, caractérisé en ce qu'on génère, à la sortie des atomiseurs de la rampe, un nuage de fines gouttelettes d'huile pure sous pression d'air, avec un débit d'huile maximal de 200 ml/min, l'huile entrant sans pression dans l'atomiseur, la pression d'air étant inférieure à 0,5 bar.

[0032] Des formes d'exécution préférées du procédé selon l'invention sont décrites dans les revendications dépendantes 15 et 16.

Brève description des figures

[0033] La figure 1 est une représentation en perspective (avec sa vue de détail) d'une rampe d'atomiseurs à air pour la pulvérisation d'huile pure sur des cylindres de laminage, selon la présente invention.

[0034] La figure 2 représente schématiquement une vue de détail en coupe d'un atomiseur de la rampe de la figure 1. [0035] La figure 3 représente schématiquement une vue générale de l'installation- de lubrification selon une première forme d'exécution préférée de l'invention. [0036] La figure 4 représente un exemple réel de dessin d'atomisation obtenu avec l'installation selon la présente invention.

[0037] La figure 5 représente schématiquement une vue générale de l'installation de lubrification selon une deuxième forme d'exécution préférée de l'invention. [0038] La figure 6 représente schématiquement une vanne à distribution modulaire (MDV) telle qu'utilisée dans l'installation de la figure 5.

[0039] La figure 7 représente graphiquement l'évolution de la force totale de laminage au cours du temps dans une installation à tube statique, respectivement avec utilisation d'huile de laminage et d'huile de colza comme lubrifiant et pour différentes valeurs de « plate- out ».

[0040] La figure 8 représente graphiquement l'évolution de la force totale de laminage au cours du temps dans une installation selon la figure 5, avec utilisation d'huile de colza.

Description détaillée de l ' invention

[0041] La présente invention est basée sur le principe d'atomisation à l'air pour pulvériser de très petites quantités d'huile pure sur les cylindres de travail. Suite à la très faible concentration d'huile pure utilisée, une répartition surfacique (« plate-out ») de 0 à 0,6 g/m ² peut être atteinte. Selon le dispositif d'atomisation à l'air de l'invention, la pulvérisation est formée grâce au mélange intime d'huile et d'air provenant de deux tubulures distinctes, l'air et l'huile étant « mélangés » juste après la sortie du petit tube d'entrée d'huile. Pour obtenir un dessin parfait de pulvérisation, la pression d'air et le débit d'huile ont été parfaitement ajustés au type d'application considéré, de manière à éviter la formation de brouillard.

[0042] II est caractéristique de la présente invention que l'huile n'est pas sous pression, c'est-à-dire

qu'elle a une pression aussi faible que possible, mais est fournie aux gicleurs en très petite quantité par une

(micro) pompe, en combinaison ou non avec un distributeur.

L'huile s'écoule par un petit tube et le risque d'obstruction du gicleur est inexistant parce que son orifice a une ouverture dont la taille est de l'ordre du millimètre. Aucun chauffage de l'huile n'est requis parce que le dessin de pulvérisation et la taille des gouttelettes sont contrôlés uniquement par la pression de l'air.

[0043] Suite aux conditions d'environnement hostiles régnant dans les cages (hautes températures, humidité, etc.), une tête de pulvérisation robuste est proposée, qui peut facilement supporter ces influences hostiles. Aucun refroidissement de la tête n'est requis du fait que celle- ci est constituée uniquement de métal. Avec ce système, il est également possible d'avoir un contrôle de la largeur de pulvérisation, de manière telle que cette largeur puisse être calquée sur la largeur de la bande. Il faut alors installer une pompe additionnelle dans ce but.

Description de formes d'exécution préférées de l'invention

EXEMPLE 1 [0044] Selon une première forme d'exécution préférée de l'invention, représentée sur la figure 1, le dispositif de lubrification comporte une rampe 2 d'atomiseurs à air 3 disposée parallèlement au cylindre de laminage 1. Les atomiseurs 3 sont disposés le long de cette rampe 2, perpendiculairement à celle-ci, de préférence équidistants les uns par rapport aux autres. De préférence, la distance entre la rampe et le rouleau est de 100-200 mm. [0045] La figure 2 montre le détail d'un atomiseur 3, réalisé en acier inoxydable. Celui-ci comporte une

entrée d'air sous pression 4, une entrée d'huile non pressurisée 5, ces deux entrées étant situées au niveau d'un adaptateur spécialement conçu 6 suivi d'une chambre de mélange 6' où se mélangent huile et air, ainsi qu'un gicleur 7 pour la sortie du mélange atomisé. L'adaptateur 6 situé après le collecteur d'air 4 permet donc le transport de l'air et l'alimentation en huile par l'entrée 5. Il joue également un rôle de fixation du gicleur (support) .

[0046] Avantageusement, on prévoira une quinzaine d'atomiseurs 3 pour une rampe 2 permettant une largeur de traitement de 2 m, avec par exemple un débit d'huile minimal de 50 ml/minute et maximal de 150 ml/minute. Les valeurs préférées de débit d'huile seront déterminées, pour chaque train de laminage spécifique, en fonction de la vitesse de rotation des cylindres (jusqu'à 20 m/s) . On utilisera de préférence de l'huile naturelle (donc pas de milieu « porteur ») , à une pression aussi faible que possible (idéalement 0 bar), de viscosité de l'ordre de 20- 50 mPa.s. Le système sera réglé de manière à obtenir un « plate-out » de l'ordre de 0,4 g/cm ² , ce qui permet d'optimiser la force et le couple de laminage. La pression d'air ne peut excéder 0,4-0,45 bar, sous peine de voir la formation de brouillard. L'orifice des gicleurs ne doit pas être très petit, il est typiquement de 1,5 mm 0, d'où le risque d'obstruction est faible, comme déjà mentionné.

[0047] La figure 3 montre une vue générale d'une installation de lubrification selon cette première forme d'exécution de l'invention, comportant une rampe d'atomiseurs contrôlables, tels que décrits sur la figure 2.

[0048] Chacun des atomiseurs 3 de la rampe 2 est contrôlé au niveau d'un distributeur 9 comportant autant de micropompes de dosage que d'atomiseurs sur la rampe. Chaque

micropompe du distributeur 9 est alimenté par un réservoir d'huile 11 et contrôlée individuellement, via un contrôleur de débit d'huile (12), par un PC 10 (par ex. 15 sorties, 0-

40 Hz) . La rampe 2 est alimentée par une conduite en air sous pression 13. La valeur de pression d'air est communiquée au PC pour régulation par un manomètre 14. La vitesse du cylindre 1 est également communiquée au PC par un appareil de mesure 15. Une vanne supplémentaire On/Off

(non représentée) peut être installée sur la conduite d'huile alimentant le distributeur 9, juste avant celui-ci, pour des raisons de facilité d'utilisation de 1 ' installation.

[0049] L'exemple de dessin d'atomisation représenté sur la figure 4 a une extension de 18 cm, à une distance de 20 cm des gicleurs. L'extension est de 13,5 cm si les gicleurs sont à 15 cm (débit d'huile de 6 ml/min et pression d'air de 0,3 bar avec un débit d'air de 10 1/min par gicleur) .

EXEMPLE 2

[0050] Selon une deuxième forme d'exécution préférée de l'invention, représentée sur la figure 5, la rampe 2 d'atomiseurs à air, disposée parallèlement au cylindre de laminage 1, est alimentée en huile venant du réservoir 11 selon des lignes parallèles munies de pompes de dosage 16 et aboutissant chacune, par une entrée 17, à une vanne à distribution modulaire 8 (MDV, pour modular divider valve, voir figure 6) se trouvant à une extrémité de la rampe 2 et dont les sorties multiples 18 alimentent les atomiseurs 3 situés sur la rampe 2. Une vanne supplémentaire On/Off (non représentée) peut être installée sur les conduites parallèles d'huile alimentant le distributeur 8, juste avant celui-ci, pour des raisons de facilité d'utilisation de l'installation.

[0051] Un exemple de distributeur MDV 8, à six sorties 11, commercialisée par Lubriquip Inc., Cleveland, Ohio (USA) , est représenté sur la figure 6. Un cycle d'alimentation séquentielle des différentes portes de sortie 18 est assuré par le mouvement des pistons 19. L'utilisation de plusieurs vannes permet de diviser le cylindre à lubrifier en 2 ou 3 zones, par exemple A, B, C. La fourniture d'air 13 est assurée à une extrémité de la rampe 2 (0,3 bar). Dans chaque zone A, B, C, une pompe de dosage et un distributeur MDV sont utilisées pour alimenter chaque atomiseur 3 de la zone. Pour chaque zone, l'huile venant du réservoir central 11 est acheminé à une pompe de dosage 16. La pression minimale dépend de la perte de charge de la vanne MDV. Généralement une pression de 2 bar est nécessaire, mais, en cas de besoin, on peut augmenter la pression jusqu'à 10-15 bar. Avantageusement, l'huile sera filtrée, dans la mesure où des impuretés arrivant dans les vannes MDV sont susceptibles d'en perturber le fonctionnement . [0052] Avantageusement, la pression d'huile et la pression d'air seront contrôlées en permanence. De même, chaque cycle de MDV peut être parfaitement contrôlé (par exemple une impulsion toutes les 0,5 s ; pour 8 sorties, différence de temps entre deux sorties = 0,0625 s) et peut être enregistré sur un PC. Si un tuyau est encrassé, un signal d'alarme sera envoyé et permettra la mise hors- circuit de la vanne MDV correspondante.

RESULTATS D'ESSAIS COMPARATIFS [0053] Des essais comparatifs de lubrification de rouleaux en continu au moyen de deux types de lubrifiants différents, à savoir respectivement de l'huile de laminage à chaud et de l'huile de colza, ont été réalisés. Les deux technologies utilisées sont respectivement par emulsion

celle utilisant le principe du tube statique, selon l'état de la technique et celle utilisant l'huile pure selon la présente invention.

[0054] Le tube statique comporte 4 gicleurs situés à une distance de 20-25 cm des rouleaux à lubrifier. La vitesse des rouleaux est comprise entre 0,3 et 0,5 m/s et le taux de réduction est de 50%. L'atomisation sur les rouleaux crée une zone d'arrosage qui a une largeur de 15 cm. [0055] Des conditions industrielles correspondant à un « plate-out » de 0,6 g/m ² ont été simulées. Des essais ont également été réalisés à des valeurs de « plate-out » plus élevées . [0056] Un « plate-out » théorique de 0,6 g/m ² correspond à un débit de 5 ml/min (soit 1,25 ml/min par gicleur) à une vitesse de 0,3 m/s et à un débit de 8 ml/min à une vitesse de 0,5 m/s.

[0057] Un « plate-out » théorique de 4,2 g/m ² correspond à un débit de 32 ml/min (soit 8 ml/min par gicleur) à une vitesse de 0,3 m/s.

[0058] Un « plate-out » théorique de 2,5 g/m ² correspond à un débit de 32 ml/min (soit 8 ml/min par gicleur) à une vitesse de 0,5 m/s. [0059] La figure 7 montre la variation de la force de laminage 21 en fonction du temps (et la moyenne mobile sur 250 périodes, 22), pour chaque type d'huile et, selon le cas, à différentes valeurs de « plate-out » (de 0,6 à 4,2 g/m ² ). La vitesse des rouleaux 23 est également représentée. [0060] Des essais similaires ont été réalisés avec la technologie selon l'invention, à vannes de répartition modulaire d'huile (de colza) pure et atomisation à air. La vitesse des rouleaux est de 0,3 et le taux de réduction est

de 50%. L'atomisation a une largeur de 20 cm (sur une bande de 10 cm) .

[0061] Le répartiteur d'huile a été utilisé avec une pompe de dosage et 8 sorties (donc 8 gicleurs) . Le débit total vers le répartiteur était de 60 ml/min (soit 7,5 ml/gicleur) , ce qui correspond à un « plate-out » théorique de 0.4 g/m ² .

[0062] Ces premiers essais représentés sur les figures 7 et 8 montrent que la force de laminage est mutatis mutandis sensiblement réduite (env. 15%) en utilisant la technologie selon la présente invention.

AVANTAGES DE L'INVENTION

[0063] Les avantages de la présente invention sont notamment les suivants :

- utilisation d'huile pure non pressurisée (à la limite 0 bar) et non chauffée, avec réduction d'au moins 30 % du débit d'huile par rapport à l'utilisation d'émulsions ;

- pas d'émulsion, c'est-à-dire de milieu porteur pour l'huile ;

- diminution du risque d'incendie (pas de pression d'huile) ;

- diminution de la pollution de l'environnement ;

- pas de formation de brouillard ; - pas de risque d'obstruction des gicleurs, l'utilisation de gicleurs à orifices importants étant permise, la viscosité de l'huile n'étant dès lors pas limitative ;

- haute homogénéité de pulvérisation ;

- optimisation de la force de laminage et grande efficacité de lubrification ;

- contrôle direct du débit d'huile sur le cylindre supérieur et sur le cylindre inférieur ;

- obtention d'un système compact et robuste ;

— pas nécessité de nettoyage des tuyauteries de lubrification avec utilisation d'eau chaude, vu l'utilisation d'huile pure ;

- possibilité d'utiliser de l'huile végétale sans additif, ce qui est plus écologique.