Korea Ever-Power · Guide d'ingénierie d'application
Vis sans fin et roue dentée pour le laminage et le traitement de l'acier
Une plaque d'acier de 25 tonnes, chauffée à 1 150 degrés Celsius, roule sur une table équipée de 120 rouleaux motorisés. Chaque rouleau est entraîné par un système à vis sans fin, qui absorbe la chaleur rayonnante de la plaque incandescente située 300 mm plus haut, dévie les particules d'oxyde de fer qui se détachent de sa surface et résiste aux jets d'eau de décalaminage à haute pression (180 bars). Le produit lui-même constitue cet environnement hostile et y circule toutes les 90 secondes.
Les aciéries utilisent des engrenages à vis sans fin pour les entraînements des tables à rouleaux, des mandrins d'enroulement, des transferts vers les tables de refroidissement et des mécanismes de serrage des entretoises de cylindres. Tous ces systèmes fonctionnent à proximité de produits sidérurgiques à des températures comprises entre 200 et 1 200 °C. La matrice de traitement de l'acier à haute température classe les entraînements selon la zone de température du produit qu'ils desservent (chaud, tiède, froid) et associe à chaque zone la température ambiante au niveau de l'entraînement, la méthode de refroidissement requise, la protection des joints contre la formation de calamine et les spécifications du matériau. Contrairement aux applications en boulangerie ou en cimenterie où la source de chaleur est statique (four), la chaleur en aciérie est transitoire : une brame à 1 150 °C passe sur une table à rouleaux pendant 2 à 5 secondes par passage, créant des chocs thermiques que les spécifications standard des engrenages à vis sans fin pour une exposition continue ne prennent pas en compte. Les dépôts (écailles d'oxyde de fer Fe₃O₄ à plus de 800 degrés) qui se détachent du produit constituent à la fois un abrasif à haute température et un contaminant chimique, nécessitant des labyrinthes blindés qu'aucune autre protection contre la poussière de l'industrie ne peut égaler.
Où les aciéries utilisent des entraînements par engrenages à vis sans fin
Un laminoir à acier comprend des centaines de cylindres à entraînement individuel qui transportent et positionnent l'acier chaud entre les cages de laminage, à travers les stations de décalaminage, sur les bancs de refroidissement et jusqu'aux bobineuses. Chaque cylindre nécessite un réducteur à vis sans fin qui convertit la vitesse du moteur (généralement 1 450 tr/min) en vitesse de rotation du cylindre (de 10 à 200 tr/min selon la section du laminoir). Les réducteurs à vis sans fin assurent cette fonction de réduction de vitesse sur les tables de cylindres, les tables de sortie, les entraînements des râteaux des bancs de refroidissement et les mécanismes à vis, là où l'orientation du moteur à 90 degrés est compatible avec l'entraxe réduit des cylindres (de 300 à 600 mm).
Les entraînements principaux des laminoirs utilisent des réducteurs hélicoïdaux ou planétaires de forte puissance plutôt que des engrenages à vis sans fin, en raison de la puissance extrême de ces réducteurs (500 à 5 000 kW), trop importante pour les engrenages à vis sans fin. Cependant, les 50 à 200 entraînements individuels par engrenage à vis sans fin sur les tables à rouleaux et les équipements auxiliaires représentent un nombre total d'unités plus élevé que toute autre application présentée dans cette série de 30 articles.
Matrice de traitement de l'acier à haute température — zone de produit pour définir les spécifications
La différence cruciale entre la chaleur générée par les aciéries et celle d'autres applications à haute température (boulangerie A14, cimenterie A25) réside dans le fait que, dans les aciéries, cette chaleur est transmise par le produit et transitoire. Une brame à 1 150 degrés passe sur un système d'engrenages à vis sans fin d'une table à rouleaux pendant 2 à 5 secondes, puis la brame suivante arrive 60 à 120 secondes plus tard. La température du carter d'entraînement oscille à chaque passage de brame : elle augmente de 5 à 15 degrés Celsius par passage, puis redescend entre chaque passage. Ces cycles thermiques sont beaucoup plus dommageables pour les joints d'étanchéité et l'huile des engrenages à vis sans fin que la température élevée et constante des boulangeries ou des cimenteries.
La matrice révèle un écart de coût de 3 à 5 fois entre les spécifications de la zone froide et celles de la zone chaude, principalement dû au système de refroidissement (une chemise d'eau ou une circulation d'huile représente un surcoût de 1 500 à 4 000 USD par entraînement) et à la protection contre le tartre (un anneau de rinçage à l'eau ajoute 200 à 500 USD par rapport à un simple labyrinthe). Un broyeur équipé de 120 entraînements de table à rouleaux peut en compter 30 dans la zone chaude, 40 dans la zone tiède et 50 dans la zone froide. Spécifier les 120 entraînements à vis sans fin au niveau de la zone chaude représente un gaspillage d'environ 120 000 USD en équipements de refroidissement inutiles pour les entraînements de la zone froide.
Détartrage par oxyde de fer et eau de détartrage haute pression
Le tartre comme contaminant unique. Au contact de l'air, l'acier chaud s'oxyde en surface et forme une calamine (Fe₃O₄), une couche dure et cassante qui se détache de l'acier lors de son passage dans le laminoir. Ces particules de calamine, de 2 à 10 mm, tombent du produit à une température de 600 à 1 000 °C sur les entraînements de la table de laminage. Cette calamine incandescente est à la fois un projectile à haute température (capable de faire fondre les joints en caoutchouc standard au contact), un abrasif (dureté Mohs 6, plus dur que la poussière de ciment) et un contaminant chimique (elle se dissout dans l'eau de refroidissement pour former une suspension d'hydroxyde de fer acide à un pH de 3 à 5). Aucun autre secteur industriel ne produit un contaminant combinant ces trois mécanismes de dégradation.
Protection anti-calcaire pour les carters d'engrenages à vis sans fin. Les entraînements à zone chaude nécessitent un écran déflecteur de calamine en acier, positionné au-dessus du carter, qui intercepte la calamine avant qu'elle n'entre en contact avec les joints. Cet écran doit être remplaçable (il s'érode sous l'effet des impacts répétés de calamine chaude) et incliné de manière à dévier la calamine loin du point d'entrée de l'arbre. Derrière l'écran, un anneau de rinçage à l'eau élimine en continu les particules de calamine du joint labyrinthe, empêchant ainsi leur accumulation et leur abrasion sur les surfaces de contact du joint.
Interaction de l'eau lors du détartrage. Des jets de décalaminage haute pression (150 à 200 bars) éliminent la calamine de la surface de l'acier avant le laminage, générant un brouillard d'eau chaude, de vapeur et de particules de calamine qui enveloppe les entraînements de la table de laminage. Le carter de l'engrenage à vis sans fin doit résister en permanence à cet environnement ; les systèmes de peinture standard se détériorent en 6 à 12 mois. Les carters pour zones chaudes sont en fonte brute ou revêtus d'un revêtement métallisé au zinc (sans peinture, car celle-ci s'écaille sous l'effet des cycles thermiques), avec une surépaisseur sacrificielle pour compenser la corrosion.
Un laminoir à chaud coréen, produisant 3 millions de tonnes par an, a spécifié des engrenages à vis sans fin pour 80 entraînements de rouleaux de table de sortie entre le poste de finition et l'enrouleur. La table de sortie desservait la zone chaude (température du produit de 600 à 850 °C à la sortie du poste de finition, puis refroidissement à 500-650 °C à l'enrouleur). Température ambiante des entraînements : 80 à 110 °C. Le cahier des charges initial prévoyait une huile minérale EP (ISO VG 320, résistance jusqu'à 90 °C) avec des joints à lèvres FKM standard et sans protection anti-calcaire — l'option la plus économique à 420 USD par entraînement. En 18 mois, 22 des 80 entraînements étaient hors service : l'huile minérale s'était oxydée sous l'effet des cycles thermiques, les joints à lèvres avaient été érodés par des particules de calamine et des dépôts de calamine avaient pénétré dans les carters. La spécification de remplacement comprenait l'ajout de déflecteurs de tartre (180 USD l'unité), de bagues de rinçage à l'eau (250 USD l'unité), de joints labyrinthes (en remplacement des joints à lèvres, 85 USD l'unité) et d'huile synthétique PAG (45 USD par remplissage). Coût total de la mise à niveau par variateur : 560 USD, portant le coût unitaire de 420 USD à 980 USD. Inspection post-mise à niveau à 3 ans : aucune défaillance sur l'ensemble des 80 variateurs. Cette mise à niveau de 560 USD sur 80 variateurs (44 800 USD au total) a permis d'éviter 22 défaillances prématurées qui auraient coûté environ 35 000 USD en variateurs de remplacement et 180 000 USD en retards de production dus aux arrêts des sections de table à rouleaux. Leçon : la spécification minimale de la zone thermique de la matrice de traitement doit inclure la protection contre le tartre. Choisir la bonne huile et le bon système de refroidissement sans prendre en compte la voie d'infiltration du tartre produit le même taux de défaillance qu'une sous-spécification de la gestion thermique seule.
Trois boîtiers de spécifications de paires d'engrenages à vis sans fin pour laminoirs en acier
Cas 1 — Laminoir à chaud coréen : 80 entraînements de table de sortie, zone chaude, protection contre la calamine
Un laminoir à chaud coréen (voir la note technique ci-dessus) a spécifié 80 réducteurs à vis sans fin pour la table de sortie entre le poste de finition et l'enrouleur. Vitesse des rouleaux : 60 à 180 tr/min (variable selon la vitesse de la bande). Moteur : 5,5 kW, 1 450 tr/min. Rapport de réduction : 10:1 (à deux entrées – le verrouillage automatique n'est pas nécessaire sur les tables à rouleaux ; les rouleaux tournent librement à l'arrêt du moteur). Couple de sortie : 120 N·m par rouleau. Spécifications corrigées : à deux entrées, module 3, entraxe de 80 mm. Matériaux : vis sans fin en acier allié trempé, roue en bronze phosphoreux. Protection anticalcaire, bague de rinçage à l'eau et joint labyrinthe. Huile : PAG ISO VG 320 synthétique, circulation d'huile avec refroidisseur externe commun à des groupes de 10 réducteurs. Coût unitaire (protection incluse) : 980 USD. Coût total pour 80 réducteurs : 78 400 USD. L'usine produisait des bandes à 90 USD la tonne en gros — chaque heure d'arrêt de la table de sortie coûtait environ 27 000 USD de production perdue.
Cas 2 — Laminoir à fil machine japonais : entraînement du mandrin d’enroulement, zone chaude, carter refroidi par eau
Une usine japonaise de production de fil machine a spécifié des engrenages à vis sans fin pour l'entraînement de quatre mandrins d'enroulement. L'enrouleur bobinait du fil machine chaud (de 5,5 à 16 mm de diamètre) à la sortie du bloc de finition. La température du fil à l'enrouleur était de 900 à 1 050 °C. L'entraînement du mandrin était situé directement sous le point d'enroulement, la température ambiante étant mesurée entre 160 et 190 °C pendant l'enroulement (l'environnement le plus chaud pour un engrenage à vis sans fin parmi les 30 articles de cette série). Engrenage à vis sans fin : à un seul pas (autobloquant nécessaire pour maintenir la tension de la bobine pendant l'enroulement), module 5, entraxe de 125 mm, rapport de 30:1. Couple de sortie : 650 N·m (tension du fil × rayon du mandrin). Refroidissement : carter à double enveloppe avec circulation d'eau continue (le carter est maintenu à 85 °C malgré une température ambiante de 180 °C). Huile : PFPE (perfluoroéther, résistant à 250 °C, offrant une marge importante en cas d'interruption du système de refroidissement). Protection contre le tartre : carter en acier intégral enveloppant la transmission, avec rideau d'eau à l'ouverture. Prix par paire d'engrenages à vis sans fin avec chemise d'eau : 4 200 USD. Huile PFPE : 380 USD. Consulter réducteur à vis sans fin industriel options pour les applications de tables à rouleaux et d'enrouleurs dans les laminoirs.
Cas 3 — Laminoir à barres d'armature vietnamien : entraînement du râteau du lit de refroidissement, zone froide, spécifications standard
Un laminoir à barres d'armature vietnamien a spécifié des engrenages à vis sans fin pour les entraînements de huit râteaux de refroidissement. Le lit de refroidissement recevait les barres d'armature finies à une température de 600 à 800 °C et les transférait latéralement à l'aide de râteaux à mouvement alternatif jusqu'à ce que leur température descende en dessous de 100 °C avant le regroupement. Les entraînements des râteaux étaient situés sous la grille du lit de refroidissement, bénéficiant ainsi de la chaleur radiante résiduelle sans contact direct avec le produit. La température ambiante au niveau des entraînements était de 45 à 65 °C (zone froide – les barres d'armature avaient traversé la zone chaude avant d'atteindre la position des râteaux). L'engrenage à vis sans fin était de type monodent, module 4, entraxe de 100 mm et rapport de réduction de 40:1. Le couple de sortie était de 800 N·m (masse du râteau × frottement). Le refroidissement était assuré par convection naturelle (suffisante à 65 °C de température ambiante). La protection contre le tartre était assurée par un joint labyrinthe avec purge d'air (les particules de tartre retombaient à travers la grille du lit de refroidissement sur les entraînements). Huile : minérale EP ISO VG 320. Prix par paire : 480 USD. Total pour 8 entraînements : 3 840 USD. Cet exemple démontre que tous les entraînements de laminoirs n’ont pas besoin d’une spécification de zone chaude ; la zone froide du lit de refroidissement fonctionne dans des conditions comparables aux environnements industriels standard, avec en plus une protection contre le tartre.
Foire aux questions
Q : Pourquoi les entraînements des tables à rouleaux des laminoirs utilisent-ils des paires d'engrenages à vis sans fin à 2 dents ?
Les entraînements des tables à rouleaux ne nécessitent pas de verrouillage automatique car les rouleaux peuvent tourner librement en toute sécurité à l'arrêt du moteur ; la brame d'acier chaude glisse ainsi sans dommage sur les rouleaux. La configuration à deux démarrages augmente le rendement de 40 à 48 % (démarrage simple) à 65 à 72 % (deux démarrages), réduisant l'échauffement du moteur et prolongeant la durée de vie de l'huile dans cet environnement déjà chaud. Pour 80 à 120 entraînements de tables à rouleaux par laminoir, ce gain de rendement permet d'économiser de 50 à 150 kW de puissance totale, soit une réduction significative des coûts d'exploitation pour plus de 6 000 heures par an. Exception : les entraînements des mandrins d'enroulement et les mécanismes de serrage doivent être à démarrage simple pour assurer respectivement le maintien de la tension et le maintien de la position par verrouillage automatique.
Q : En quoi les cycles de choc thermique diffèrent-ils des températures élevées en régime permanent ?
À haute température constante (boulangerie, cimenterie), l'ensemble vis sans fin atteint l'équilibre thermique : tous les composants se dilatent uniformément. Les cycles de choc thermique (passage de brames en aciérie) chauffent rapidement la surface supérieure du carter tandis que la surface inférieure reste plus froide, créant ainsi un gradient de température interne qui engendre une dilatation thermique différentielle. Cette dilatation différentielle exerce une contrainte différente sur les surfaces de contact du joint d'étanchéité à chaque cycle (le côté chaud se dilate et comprime le joint, le côté froid reste statique). Sur des milliers de passages de brames par jour, la compression cyclique du joint accélère la fatigue des matériaux en caoutchouc standard. C'est pourquoi les joints des engrenages à vis sans fin des aciéries sont à labyrinthe (sans contact, sans fatigue) et non à lèvres (avec contact, sujets à la fatigue).
Q: Peut-on prévenir les dommages causés par le calcaire sans anneau de rinçage à l'eau ?
Dans les zones chaudes et froides, la purge à l'air comprimé (0,3 à 0,5 bar) suffit généralement à prévenir l'accumulation de tartre au niveau du joint labyrinthe. Dans la zone chaude, la purge à l'air seule est insuffisante car les particules de tartre chaudes (600 à 1 000 °C) peuvent fondre dans les passages du labyrinthe et se solidifier en une croûte dure qui obstrue le flux d'air. L'anneau de rinçage à l'eau refroidit les particules de tartre en dessous de leur point de ramollissement et les élimine avant qu'elles ne s'accumulent. Le débit d'eau est faible (2 à 5 litres par minute et par entraînement) et l'eau s'écoule par les mêmes canaux de collecte de tartre situés sous la table à rouleaux.
Q : Quel est l'intervalle de vidange d'huile applicable aux entraînements par engrenages à vis sans fin des laminoirs ?
Zone chaude : vidange tous les 3 à 6 mois (les cycles thermiques accélèrent l’oxydation de l’huile, même synthétique). Zone tiède : vidange tous les 6 à 12 mois. Zone froide : vidange tous les 12 à 18 mois. Ces intervalles sont calculés en tenant compte des analyses d’huile effectuées régulièrement. Il est impératif de procéder à une vidange immédiate si l’indice d’acidité dépasse 2,0 mgKOH/g, la teneur en eau 0,5 % (due aux infiltrations d’eau lors du détartrage) ou la teneur en fer 100 ppm (indiquant une contamination par le tartre ou une usure accélérée des engrenages). Dans les aciéries équipées de systèmes de circulation d’huile centralisés pour engrenages à vis sans fin (un refroidisseur desservant 10 à 20 entraînements), les intervalles peuvent être prolongés de 30 à 50 % grâce à un volume d’huile plus important qui dilue les contaminants plus lentement.
Q : Quelle est la durée de vie typique d'une paire d'engrenages à vis sans fin pour laminoir à acier ?
Avec une spécification de zone de température appropriée et une protection anticalcaire : zone chaude : 3 à 5 ans, zone tiède : 5 à 8 ans, zone froide : 8 à 12 ans. Durée de vie de la vis sans fin en acier : 6 à 15 ans toutes zones confondues (la vis sans fin est plus dure et plus résistante à la corrosion que la roue en bronze). Le facteur limitant la durée de vie des réducteurs à vis sans fin en zone chaude est la fatigue due aux cycles thermiques de la roue en bronze : les cycles répétés de chauffage et de refroidissement provoquent des microfissures sur les flancs des dents après 15 000 à 30 000 cycles thermiques. En zones tiède et froide, la limite est l’usure abrasive due à la contamination par le tartre, gérée par l’entretien du joint labyrinthe et de la bague de rinçage.
Les engrenages à vis sans fin des aciéries sont soumis à la combinaison la plus extrême de chocs thermiques, de contamination abrasive et d'exposition chimique de toutes les applications industrielles. La matrice de traitement à haute température associe les zones de température du produit (chaud, tiède, froid) à la température ambiante au niveau de l'entraînement, à la méthode de refroidissement, à la protection contre le tartre et aux spécifications du lubrifiant. Ceci permet une optimisation par zone, évitant ainsi les sous-spécifications (défaillances prématurées dans la zone chaude) et les sur-spécifications (coûts inutiles dans la zone froide). Le tartre, contaminant spécifique aux aciéries, exige des labyrinthes blindés avec rinçage à l'eau dans la zone chaude, une protection qu'aucune autre industrie ne peut remplacer par une protection contre la poussière ou les particules. Le choc thermique transitoire dû au passage du produit chaud engendre une fatigue des joints que les spécifications de température en régime permanent ne prennent pas en compte. Les joints à labyrinthe remplacent donc les joints à lèvres comme configuration obligatoire pour tous les engrenages à vis sans fin des aciéries.
Pour les fournisseurs d'équipements sidérurgiques et les ingénieurs d'usine, notre bureau d'études définit la zone de température du produit et recommande les spécifications complètes du système d'entraînement. Catalogue standard ensembles d'engrenages à vis sans fin robustes Couvrez les aciéries de dimensions allant de 63 à 200 mm d'entraxe avec options de protection contre le tartre. Soumettez une Spécifications d'entraînement du laminoir à acier avec la température du produit, la section du broyeur, la position d'entraînement et le niveau d'exposition de la calamine.
Spécifier les paires d'engrenages à vis sans fin pour les tables à rouleaux ou les équipements de traitement des laminoirs à acier ?
Veuillez nous indiquer la température du produit, la section du broyeur, le nombre d'entraînements, la plage de vitesses des rouleaux et le niveau d'encrassement. Nous déterminerons la zone de température et vous recommanderons la solution de refroidissement, d'étanchéité et de protection contre le tartre adaptée à chaque position d'entraînement.
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Éditeur : Cxm
