Fabrication
33 TONNES : fabrication d'un réducteur de VITESSE d'exception pour un laminoir circulaire
Destiné à un acteur de la sidérurgie basé en Italie, MERGER a fabriqué les organes de transmission de puissance d’un laminoir circulaire comprenant un réducteur principal de 33 tonnes et deux réducteurs cônes de 10 tonnes chacun.
Conception 100% MERGER pour un acteur italien de la sidérurgie
MERGER a conçu, assemblé et réalisés les essais dans ses atelier de Corbas d’un ensemble de transmission mécanique d’une masse totale de 53 tonnes. Cet équipement comprenant 2 réducteurs cônes de 10 tonnes et un réducteur principal de 33 tonnes est destiné à la modernisation d’un laminoir circulaire radial-axial exploité par un acteur de la sidérurgie basé en Italie.
Restructurer la chaîne cinématique d’un laminoir : les enjeux industriels du client
L’exploitant sidérurgique a engagé la restructuration de sa chaîne cinématique pour répondre à trois objectifs principaux :
- Faire évoluer l’infrastructure pour permettre le laminage à chaud de couronnes en acier de diamètres supérieurs, une opération nécessitant une augmentation importante des couples appliqués.
- Limiter la diversité des pièces de rechange stockées sur site en imposant une typologie de motorisation unique pour l’ensemble du process (utilisation exclusive de moteurs électriques ABB de type M3BP 400, développant chacun 630 kW).
- Éliminer le risque d’arrêt non planifié. En sidérurgie, une panne de transmission sur un flux à chaud entraîne le refroidissement des ébauches métalliques, des pertes de matières premières et des coûts . La conformité devait être validée à 100 % en usine avant l’expédition dans le cadre d’une mise en service immédiate.
Un défi technique : les Spécificités des réducteurs MERGER
Le laminoir reçoit au départ une ébauche d’acier brute de forme circulaire, épaisse et de petit diamètre. Cette pièce massive est portée à haute température pour être malléable. Le cylindre principal exerce alors une pression continue sur la paroi de cette couronne en rotation. Sous l’effet de cette force mécanique, l’acier s’écrase, s’étire et s’affine. La matière se déploie vers l’extérieur. Ce laminage mécanique augmente ainsi le diamètre final de la couronne tout en réduisant son épaisseur, de la même manière que l’on élargit un anneau de pâte en le roulant. Pour reprendre les efforts mécaniques induits par l’application, nos équipes ont dû mettre des butées de reprise de charge axiale. Le dimensionnement a fait l’objet d’une attention particulière.
Emplacement et fonction du réducteur principal de 33 tonnes
Le réducteur principal assure l’entraînement du laminage central. Sa fonction est de transmettre la puissance requise pour déformer et étirer une couronne d’acier à chaud.
Cette puissance est obtenue par le couplage de 2 moteurs ABB. de type M3BP 400, développant chacun 630 kW. Fonctionnant simultanément, la puissance totale à l’entrée du réducteur est de 1230 kW.
Cinématique et dimensionnement du réducteur principal
Cinématique :
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Architecture : Système à double arbre d’entrée parallèle (Dual-Input / Single-Output).
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Étages de réduction : Configuration à 4 trains d’engrenages.
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Flux de puissance : Les deux pignons « grande vitesse » d’entrée reçoivent la puissance des deux moteurs. Ils engrènent sur un train intermédiaire commun pour additionner les couples. Ils transfèrent ensuite cette puissance totale vers l’arbre « petite vitesse ».
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Sens de rotation : Anti-horaire.
Dimensionnement
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Rapport de réduction exact : 80,248.
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Puissance nominale acceptée : 2 x 630 kW (soit une puissance totale installée de 1 260 kW).
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Calculs de tenue : Le bureau d’études MERGER a effectué les calculs de la géométrie et des profils de dentures via le logiciel KISSsoft selon la norme ISO 6336. Une étude complémentaire avec le CETIM a validé la résistance des lignes d’arbres face aux contraintes thermomécaniques.
Caractéristiques mécaniques et poids
Caractéristiques mécaniques :
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Matériau de la pignonnerie : Utilisation d’acier 18CrNiMo7-6. Dans la classification métallurgique, cette nuance est par définition un acier spécial pour cémentation. Sa faible teneur en carbone (~0,18 %) nécessite obligatoirement un apport de carbone en surface (cémentation) suivi d’un traitement thermique (trempe) et d’un revenu de stabilisation effectué afin d’atteindre un rapport de dureté/durcissement désiré. Ces opérations sont couramment appelées CTR (cémentation/trempe/revenu). Ces traitements thermiques sont réalisés après le taillage des engrenages, mais avant la phase finale de rectification.
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Liaison et interface de sortie : Arbre creux cannelé suivant la norme DIN 5480 (N340 x 6 x 55 – 8H). Cet arbre utilise un acier 42CrMo4 traité (Re > 750 MPa) avec des cannelures durcies par induction à 500 HV minimum.
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Guidage (Paliers) : Les lignes d’arbres s’appuient sur des roulements SKF de forte capacité. Ils intègrent un jeu radial C3 pour absorber les dilatations thermiques de la sidérurgie.
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Lubrification et étanchéité : Le système combine le barbotage et une lubrification forcée par un groupe motopompe externe avec filtre duplex. Des joints toriques sur les couvercles et des labyrinthes en sortie d’arbre assurent l’étanchéité.
Poids :
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Masse à vide : Environ 27 000 kg (27 tonnes).
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Masse en ordre de marche : 33 000 kg (33 tonnes). Ce poids inclut le plein de lubrifiant, les accouplements et les accessoires. Il s’agit de la transmission la plus lourde construite par MERGER dans son atelier de Corbas (69).
Les réducteurs cônes de 10 tonnes chacun
Ces deux unités (cône supérieur et cône inférieur) gèrent la transmission de puissance sur les axes secondaires et géométriques complémentaires du process radial-axial. Ils entraînent les cônes qui viennent pincer et calibrer l’acier sur ses faces d’extrémité. Ils contrôlent ainsi la hauteur de la couronne pendant que le réducteur principal augmente son diamètre.
Ces réducteurs se placent en périphérie immédiate de la zone de formage. Ils possèdent une position inclinée à 17,50° par rapport au niveau du sol du laminoir. L’un gère l’entraînement supérieur et l’autre gère l’entraînement inférieur. Les 2 appareils tournent en sens opposé.
Cinématique et dimensionnements des réducteurs cônes
Cinématique :
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Architecture : Réducteur combiné orthogonal.
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Étages de réduction : Configuration à 3 trains d’engrenages.
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Flux de puissance : Le premier étage d’entrée utilise un couple spyroconique pour changer la direction de l’axe d’entrée moteur à 90°. Ensuite, deux trains parallèles d’engrenages à denture hélicoïdale effectuent la démultiplication principale de la vitesse.
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Sens de rotation : Horaire et anti-horaire.
Dimensionnement :
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Rapport de réduction exact : 19,104.
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Puissance nominale acceptée : 630 kW par unité.
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Vitesses nominales : L’appareil réduit la vitesse de 1 491 tr/min en entrée (moteur ABB M3BP 400) à 78 tr/min en sortie.
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Calculs de tenue : La modélisation sous KISSsoft garantit le comportement des dentures face aux inversions de cycles et aux chocs de pénétration sur le lopin d’acier.
Caractéristiques mécaniques et poids des 2 réducteurs
Caractéristiques mécaniques :
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Matériau de la pignonnerie : Comme pour le réducteur principal, la matière pour les dentures hélicoïdales et spiroconiques est de type acier allié (CTR) cémenté, trempé, revenu et rectifié.
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Liaison et interface de sortie : Arbre creux rigide associé à une frette de serrage (Shrink disc avec alésage ). Ce système assure une liaison par friction sans aucune clavette. Il supprime le jeu mécanique et n’est pas soumis aux vibrations et aux inversions de charge.
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Guidage (Paliers) : L’arbre creux utilise des butées à rouleaux coniques SKF, reprenant la poussée axiale du cône, et de grands roulements à rotule sur rouleaux (500 x 830 x 325) reprennent les efforts radiaux.
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Lubrification et étanchéité : Un réseau de tuyauteries rigides internes et des rampes d’injection projettent l’huile sous pression directement aux points d’engrènement. Des joints labyrinthes protègent les corps de paliers contre l’eau de décalaminage, la calamine et autres pollutions environnantes.
Poids :
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Masse à vide : Environ 8 500 kg (8,5 tonnes).
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Masse en ordre de marche : 10 000 kg (10 tonnes) par unité. Ce poids intègre le groupe de lubrification, les fluides, la chaise d’interface moteur et les accessoires (capteurs, vanne, etc…).
Galerie photo
Le laminage à chaud : le principe de la déformation mécanique
La machine reçoit au départ une ébauche d’acier brute (appelée lopin ou anneau brut), qui est épaisse, haute et possède un petit diamètre. Cette pièce massive est préalablement chauffée à très haute température pour être malléable.
Le laminoir utilise ensuite la force combinée de plusieurs cylindres pour écraser et étirer le métal :
- L’action radiale (gérée par le réducteur principal) : Le cylindre principal exerce une pression continue sur la paroi extérieure de l’anneau en rotation. Sous cette force mécanique extrême, l’acier s’écrase, s’affine en épaisseur et s’étire. Cette action permet d’augmenter le diamètre final de la couronne. C’est le même principe physique que lorsqu’on élargit un anneau de pâte en le roulant entre ses doigts : plus la paroi s’affine, plus le diamètre de l’anneau s’agrandit.
- L’action axiale (gérée par les réducteurs cônes) : En même temps que le diamètre s’agrandit, deux cylindres coniques viennent pincer l’acier sur ses faces supérieure et inférieure. Cette action permet de calibrer avec précision la hauteur et la planéité de la couronne, évitant que le métal ne se déforme de manière incontrôlée sous la poussée du cylindre principal.
Pour quel produit fini?
Grâce à ce double travail simultané (radial et axial), le laminoir transforme un bloc de métal compact en une couronne ou une bague en acier de grand diamètre, parfaitement circulaire, avec une épaisseur et une hauteur strictement contrôlées.
Ces pièces (couronnes laminées sans soudure) sont ensuite utilisées dans des industries de pointe pour fabriquer :
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Des roulements de très grande taille (pour les éoliennes ou les tunnels).
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Des brides de raccordement pour les cuves ou les pipelines.
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Des composants pour l’aéronautique, le ferroviaire ou le secteur spatial.
Les contraintes techniques de cette fabrication
Les contraintes liées à l’application finale :
Le procédé de laminage à chaud de couronnes génère un environnement de travail contraignant pour les organes de transmission en particulier :
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Des forces multidirectionnelles combinées : Le process applique simultanément des charges sur deux axes géométriques distincts. Les réducteurs doivent absorber des efforts radiaux continus lors de la réduction d’épaisseur de la couronne, ainsi que des efforts axiaux permanents lors du calibrage des faces d’extrémité.
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Un régime de chocs mécaniques répétés : L’engagement du brut d’acier thermique entre les cylindres de laminage provoque des pics de charge instantanés (chocs de pénétration) qui se répercutent directement sur les lignes d’arbres et la pignonnerie.
- Une ambiance thermique difficile et de la pollution : Les carters opèrent à proximité immédiate du métal en fusion. Ils subissent un fort rayonnement thermique, des projections d’eau liées au processus de décalaminage et une atmosphère saturée en calamine, particule d’oxyde de fer hautement abrasive.
Les exigences architecturales du cahier des charges
L’exploitant sidérurgique a formulé des critères spécifiques dans une logique de standardisation de son usine :
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Une contrainte de motorisation unique : Le client est restreint à l’utilisation exclusive de moteurs électriques standardisés ABB de 630 kW.
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Une architecture bi-moteur obligatoire : Pour atteindre la puissance requise de 1 260 kW sur l’entraînement principal avec ces moteurs imposés, MERGER a dû concevoir un réducteur spécifique à double arbre d’entrée parallèle intégrant un système mécanique de sommation de puissance.
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Des rapports de réduction précis : Les appareils devaient respecter des cinématiques strictes, soit un rapport exact de 80,248 pour le réducteur principal (4 trains de réduction) et de 19,104 pour les réducteurs cônes (3 étages avec renvoi d’angle à 90°).
- Zéro défaut avant expédition : En raison des coûts financiers critiques qu’engendrerait une panne sur un flux de métal à chaud, MERGER a dû valider à 100 % les performances et la tenue des dentures sur son banc d’essais en usine (analyses vibratoires, thermographiques et contrôles de portée au bleu) avant l’accord de livraison.
Les solutions spécifiques proposées par notre bureau d'étude
Pour répondre précisément aux contraintes du laminoir italien, Le bureau d’études de MERGER a étudié l’ensemble des contraintes liées au cahier des charges et proposé des solutions spécifiques validées par le client.
- La mise en place d’un système de lubrification forcée : Pour dissiper les calories induites par le process et le fonctionnement interne, chaque réducteur est associé à une centrale de lubrification motorisée indépendante, équipée de capteurs de débit, de filtres et de blocs de refroidissement de l’huile.
- Un dispositif d’étanchéité renforcée : Afin de protéger la mécanique interne contre l’eau de process et la calamine, MERGER a implanté des systèmes d’étanchéité dynamiques spécifiques (joints labyrinthes et chicanes) au niveau des sorties d’arbres. Les sorties d’arbres sont ainsi protégées par des systèmes sans contact, empêchant toute intrusion de polluant dans les paliers.
- Le choix de paliers SKF renforcés : Le guidage est confié à des roulements à rouleaux de forte capacité issus du catalogue SKF (notamment les séries 22344, 22356, 23264 pour le réducteur principal). Ils ont été spécifiquement sélectionnés avec un jeu radial C3 afin d’absorber les hausses importantes de température sans risque de blocage ou de serrage des billes/rouleaux.
Notre prestation : de l'étude à la livraison des réducteurs du laminoir
La phase d’ingénierie, notes de calculs et modélisation
Le projet débute par une phase d’étude indispensable pour dimensionner des équipements soumis à des couples extrêmes et à des chocs répétés.
Calculs de résistance des engrenages : Le bureau d’études interne de MERGER a utilisé le logiciel de simulation KISSsoft pour modéliser les profils de dentures et de calculer leur résistance à la fatigue et à la rupture selon la norme internationale ISO 6336. MERGER a fourni une note de calcul pour l’ensemble du projet.
Co-validation de la tenue aux chocs : MERGER a collaboré avec les ingénieurs experts du CETIM (Centre Technique des Industries Mécaniques) pour valider la résistance mécanique des lignes d’arbres et l’absence de déformation des carters vis à vis des pics de charge lors de la pénétration de l’acier dans le laminoir.
Conception des architectures spécifiques : Nos ingénieurs ont dessiné les plans d’ensemble du carter bi-moteur à axes parallèles (réducteur principal) et des carters orthogonaux (réducteurs cônes).
Fabrication, taillage et traitements thermochimiques
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Usinage et taillage de la pignonnerie : L’ensemble des engrenages a été taillé dans la masse dans un acier spécifique à la métallurgie / sidérurgie.
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Traitements thermiques de durcissement : Les pignons ont subit un cycle de cémentation-trempe.
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Rectification finale des profils : Après traitement, les dentures sont rectifiées sur des machines de haute précision afin d’obtenir une géométrie parfaite et une rugosité maximale très faible (Ra = 0,8). Cette opération est particulièrement importante pour obtenir un engrènement fluide, limiter l’échauffement et réduire les vibrations
Assemblage mécanique et ajustement en atelier
Le montage s’est effectué dans notre atelier de Corbas. Un mois a été nécessaire de la préparation à la livraison pour le réducteur principal.
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Montage des roulements : Installation des roulements de marque SKF par emmanchement thermique. Séries à rouleaux coniques pour l’arbre d’entrée des cônes et roulements à rotule sur rouleaux pour le réducteur principal. Les roulements du réducteur principal bénéficient d’un réglage spécifique adapté aux contraintes thermiques de la sidérurgie.
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Contrôle de la portée des dentures au bleu : Avant la fermeture des carters, un test de portée mécanique « au bleu de Prusse » est réalisé. Il permet de vérifier visuellement que la surface de contact entre les dents en contact est parfaitement répartie sur toute la largeur du pignon.
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Ajustement et fermeture des carters : Les carters en acier mécanosoudé sont assemblés. Les vis de structure, de classe de qualité 12.9, sont serrées au couple nominal à l’aide d’outils dynamométriques contrôlés. Toutes les clavettes internes utilisées reçoivent un traitement leur conférant une dureté minimale de 110 daN / mm2.
Analyse et contrôle
Avant l’autorisation de livraison, chaque unité a suivi un protocole de contrôle à vide et sous charge pour valider le comportement dynamique.
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Analyse spectrale des vibrations : Des accéléromètres ont mesuré le comportement vibratoire de la pignonnerie et des paliers pour détecter la moindre anomalie d’engrènement.
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Suivi thermographique : Des caméras thermiques surveillent l’évolution de la température au droit des roulements SKF pour valider le bon fonctionnement du circuit de lubrification.
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Contrôle des circuits hydrauliques : MERGER a testé l’étanchéité des couvercles (équipés de joints toriques) et des sorties d’arbres (protégées par des joints labyrinthes et chicanes). Les indicateurs électriques de colmatage des filtres et les sondes de température de la centrale de lubrification forcée sont testés et calibrés.
Protection et préparation avant expédition
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Dossier technique constructeur : MERGER a consigné l’ensemble des rapports de contrôle, les certificats matières des aciers (18CrNiMo7-6 et 42CrMo4) et les courbes d’essais dans le dossier technique final.
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Protection et transport lourd : Les réducteurs ont été vidangés, ont reçu un traitement anticorrosion interne protecteur, puis ont été peints (teinte RAL 7041).
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