Premièrement, les normes de production des tubes en acier sans soudure :
1. Exigences de qualité pour les tubes en acier sans soudure.
① Composition chimique de l'acier : La composition chimique de l'acier est le facteur le plus important influençant les performances des tubes sans soudure. Elle constitue également la base principale de la définition des paramètres de laminage et de traitement thermique des tubes. La norme relative aux tubes sans soudure définit, en fonction de leurs différentes utilisations, des exigences spécifiques concernant la fusion de l'acier et les méthodes de fabrication des ébauches, et impose des réglementations strictes sur la composition chimique. En particulier, des exigences sont formulées concernant la teneur en certains éléments chimiques nocifs (arsenic, étain, antimoine, plomb, bismuth) et gaz (azote, hydrogène, oxygène, etc.). Afin d'améliorer l'homogénéité de la composition chimique et la pureté de l'acier, de réduire les inclusions non métalliques dans les ébauches et d'améliorer leur répartition, on utilise souvent des équipements d'affinage hors four pour affiner l'acier en fusion, voire des fours à laitier électroconducteur pour refondre et affiner les ébauches.
② Précision géométrique et diamètre extérieur des tubes en acier : précision du diamètre extérieur, épaisseur de paroi, ovalisation, longueur, courbure, pente de coupe de la face d’extrémité, angle de rainure et arête émoussée, dimensions de la section transversale des tubes en acier de forme spéciale
A. Précision du diamètre extérieur des tubes en acier : La précision du diamètre extérieur des tubes en acier sans soudure dépend de la méthode de calibrage (réduction) du diamètre (y compris la réduction par tension), du fonctionnement de l’équipement, du système de production, etc. Elle est également liée à la précision d’usinage des trous de la machine de calibrage (réduction) et à la répartition et au réglage des déformations de chaque cadre. La précision du diamètre extérieur des tubes en acier sans soudure laminés à froid (laminés) est liée à la précision de la filière ou du trou de laminage.
B. Épaisseur de paroi : La précision de l’épaisseur de paroi des tubes en acier sans soudure dépend de la qualité du chauffage de l’ébauche, des paramètres de conception et de réglage du procédé de déformation, de la qualité de l’outillage et de sa lubrification. L’épaisseur de paroi des tubes en acier présente une irrégularité transversale et longitudinale.
③ Qualité de surface des tubes en acier : La norme stipule les exigences de « finition de surface » des tubes en acier. Cependant, on dénombre jusqu'à 10 types de défauts de surface sur les tubes en acier, dus à diverses raisons lors du processus de production. Parmi ceux-ci figurent les fissures superficielles, les microfissures, les plis internes et externes, les perforations, les défauts de planéité internes et externes, le délaminage, les marques, les piqûres, les convexités, les abrasions, les spirales internes et externes, les stries bleues, les redressements, les marques de laminage, etc. Ces défauts sont principalement causés par des défauts de surface ou internes de l'ébauche du tube. Par ailleurs, ils peuvent également se produire lors du processus de production : si les paramètres du laminage ne sont pas correctement définis, si la surface de l'outil (moule) n'est pas lisse, si les conditions de lubrification sont insuffisantes, si la conception et le réglage des alésages sont inappropriés, etc., cela peut entraîner des problèmes de qualité de surface sur le tube en acier. ou si l'ébauche de tube (tuyau en acier) est chauffée, laminée, traitée thermiquement et redressée, si la température de chauffage est mal contrôlée, la déformation est inégale, la vitesse de chauffage et de refroidissement est inappropriée ou la déformation de redressage est trop importante, cela peut également provoquer des fissures de surface dans le tube en acier.
④ Propriétés physico-chimiques des tubes en acier : Les propriétés physico-chimiques des tubes en acier comprennent leurs propriétés mécaniques à température ambiante, leurs propriétés mécaniques à une température donnée (résistance thermique ou comportement à basse température) et leur résistance à la corrosion (anti-oxydation, résistance à l’érosion par l’eau, résistance aux acides et aux bases, etc.). De manière générale, ces propriétés dépendent principalement de la composition chimique, de la structure, de la pureté de l’acier et du traitement thermique appliqué. Dans certains cas, la température de laminage et le mode de déformation influent également sur les performances des tubes.
⑤ Performance du processus des tubes en acier : La performance du processus des tubes en acier comprend l'aplatissement, l'évasement, le roulage, le cintrage, l'étirage annulaire et le soudage des tubes en acier.
⑥ Structure métallographique des tubes en acier : La structure métallographique des tubes en acier comprend des structures à faible et à fort grossissement des tubes en acier.
⑦ Exigences particulières pour les tubes en acier : conditions particulières requises par les clients.
Deuxièmement, les problèmes de qualité dans le processus de production des tubes en acier sans soudure – les défauts de qualité des billettes de tubes et leur prévention.
1. Défauts de qualité des billettes tubulaires et leur prévention : Les billettes tubulaires utilisées pour la production de tubes en acier sans soudure peuvent être des billettes cylindriques coulées en continu, des billettes cylindriques laminées (forgées), des billettes cylindriques creuses coulées par centrifugation, ou encore des lingots d’acier utilisés directement. En pratique, les billettes cylindriques coulées en continu sont principalement utilisées en raison de leur faible coût et de leur bonne qualité de surface.
1.1 Aspect, forme et défauts de qualité de surface des billettes tubulaires
1.1.1 Défauts d'aspect : Pour les billettes tubulaires rondes, les défauts d'aspect comprennent principalement le diamètre et l'ovalisation des billettes, la tolérance du chanfrein de coupe de la face d'extrémité, etc. Pour les lingots d'acier, les défauts d'aspect comprennent principalement la forme incorrecte du lingot due à l'usure du moule, etc.
① Le diamètre et l'ovalisation de l'ébauche tubulaire ronde sont hors tolérance : En pratique, on considère généralement que lors du perçage d'une ébauche tubulaire, le taux de réduction de pression avant la tête de perçage est proportionnel au degré de repliement vers l'intérieur du tube brut percé. Plus le taux de réduction de pression est important, plus le risque de formation prématurée d'une cavité dans l'ébauche tubulaire est élevé, et plus le tube brut est susceptible de présenter des fissures sur sa surface interne. En production courante, les paramètres de perçage de la machine sont déterminés en fonction du diamètre nominal de l'ébauche tubulaire et du diamètre extérieur et de l'épaisseur de paroi du tube brut. Lors du réglage du perçage, si le diamètre extérieur de l'ébauche tubulaire dépasse la tolérance positive, le taux de réduction de pression avant la tête augmente, et le tube brut percé présente un défaut de repliement vers l'intérieur ; si le diamètre extérieur de l'ébauche tubulaire est trop négatif, le taux de réduction de pression avant la tête diminue, et le point de départ du perçage dans l'ébauche tubulaire se déplace vers le col, ce qui rend le processus de perçage difficile. Ovalité hors tolérance : lorsque l’ovalité de la billette tubulaire est irrégulière, celle-ci tourne de manière instable après son entrée dans la zone de déformation par perçage, et le rouleau raye la surface de la billette, ce qui entraîne des défauts de surface du tube brut.
② Le chanfrein de la face d'extrémité de l'ébauche tubulaire ronde est hors tolérance : l'épaisseur de paroi de l'extrémité avant du tube brut percé est irrégulière. Ceci est principalement dû au fait que, lorsque l'ébauche tubulaire ne comporte pas de trou de centrage, le poinçon entre en contact avec la face d'extrémité de l'ébauche lors du perçage. En raison de la forte pente de cette face, le nez du poinçon peine à se centrer correctement, ce qui entraîne une épaisseur de paroi irrégulière sur la face d'extrémité brute du tube.
1.1.2 Défauts de qualité de surface (billette tubulaire ronde coulée en continu) : Fissures de surface de la billette tubulaire : fissures longitudinales, transversales et en réseau. Causes des fissures longitudinales :
A. Le flux décalé causé par le désalignement de la buse et du cristalliseur érode la coque solidifiée du billette tubulaire ;
B. Les propriétés de fusion du laitier protecteur sont médiocres, et la couche de laitier liquide est trop épaisse ou trop mince, ce qui entraîne une épaisseur inégale du film de laitier, rendant la coque solidifiée localement du billette tubulaire trop mince.
C. Fluctuation du niveau du liquide de cristallisation (lorsque la fluctuation du niveau du liquide est de ±10 mm, le taux d'apparition de fissures est d'environ 30 %) ;
Teneur en P et S dans l'acier. (P = 0,017 %, S = 0,027 %, les fissures longitudinales ont tendance à augmenter) ;
E. Lorsque la teneur en C dans l'acier est de 0,12 % à 0,17 %, les fissures longitudinales ont tendance à augmenter.
Mesures préventives : A. S’assurer de l’alignement de la buse et du cristalliseur ; B. La fluctuation du niveau du liquide de cristallisation doit être stable ; C. Utiliser un cône de cristallisation approprié ; D. Sélectionner un laitier de protection performant ; E. Utiliser un cristalliseur à tête chaude.
Causes des fissures transversales : A. Des marques de vibration trop profondes sont la principale cause des fissures transversales ; B. L’augmentation de la teneur en niobium et en aluminium dans l’acier est un facteur déclenchant ; C. Le redressage du lingot tubulaire est effectué à une température de 900 à 700 °C ; D. L’intensité du refroidissement secondaire est trop élevée.
Mesures préventives:
A. Le cristalliseur adopte une fréquence élevée et une faible amplitude pour réduire la profondeur des marques de vibration sur la surface intérieure arquée de la billette ;
B. La zone de refroidissement secondaire adopte un système de refroidissement faible et stable pour garantir que la température de surface est supérieure à 900 degrés pendant le redressage.
C. Maintenir le niveau du liquide de cristallisation stable ;
D. Utiliser un laitier protecteur présentant de bonnes performances de lubrification et une faible viscosité.
Causes des fissures dans le réseau de surface :
A. Le lingot à haute température absorbe le cuivre du cristalliseur, et le cuivre devient liquide puis s'infiltre le long du joint de grain d'austénite ;
B. Les éléments résiduels présents dans l'acier (tels que le cuivre, l'étain, etc.) restent à la surface du tube et s'infiltrent le long de la limite des grains ;
Mesures préventives:
A. Chromage de la surface du cristalliseur pour augmenter la dureté de la surface ;
B. Utiliser un volume d'eau de refroidissement secondaire approprié ;
C. Contrôler les éléments résiduels dans l'acier.
D. Contrôler le rapport Mn/S afin de garantir qu'il soit supérieur à 40. On considère généralement que lorsque la profondeur des fissures superficielles du tube ne dépasse pas 0,5 mm, la fissure s'oxyde lors du chauffage et ne provoque pas de nouvelles fissures en surface. Cependant, comme les fissures superficielles s'oxydent fortement lors du chauffage, elles s'accompagnent souvent de particules d'oxydation et d'une décarburation après laminage.
Défauts et croûtes épaisses sur le tube : la température de l’acier en fusion est trop basse, l’acier en fusion est trop visqueux, la buse est obstruée, le flux d’injection est dévié, etc. En raison de ces défauts et croûtes épaisses à la surface de la billette, le pliage du tube en acier diffère des défauts de pliage et de cisaillement observés sur les tubes bruts produits lors du laminage. Il présente des caractéristiques d’oxydation très marquées, accompagnées de particules d’oxydation et d’une décarburation importante ; de l’oxyde ferreux est présent au niveau des défauts.
Porosité des billettes tubulaires : Généralement, de petits pores se forment à la surface de la billette tubulaire suite à la rupture de bulles sous-jacentes lors de la coulée de l’acier en fusion. Après le laminage de la billette, une fine pellicule se forme à la surface du tube d’acier.
Causes des piqûres et rainures dans la billette tubulaire : D’une part, elles peuvent se former lors de la cristallisation de la billette, en raison de la forte conicité du cristalliseur ou d’un refroidissement irrégulier de la zone de refroidissement secondaire ; d’autre part, elles peuvent être causées par des chocs ou des rayures mécaniques à la surface de la billette avant son refroidissement complet. Des plis ou des marques (piqûres) et de larges plis (rainures) se forment à la surface du tube brut après perforation.
Défauts de surface des ébauches de tubes : principalement dus à une mauvaise fermeture de l'entrefer (entre le cylindre de redressage de la machine de coulée continue et le cylindre de laminage du laminoir). Lors du redressage ou du laminage de l'ébauche, une pression excessive ou un entrefer trop faible peuvent entraîner l'entrée d'une trop grande quantité de métal. Après perforation, la surface rugueuse du tube présente un pli en spirale. Tout défaut de surface de l'ébauche peut engendrer des défauts sur le tube en acier lors du laminage. Dans les cas les plus graves, le tube laminé est mis au rebut. Il est donc essentiel de renforcer le contrôle de la qualité de surface des ébauches et d'éliminer les défauts. Seules les ébauches conformes aux normes peuvent être utilisées pour la production de tubes par laminage.
1.2 Défauts structurels de faible puissance des billettes tubulaires :
Bulles sous-cutanées visibles dans les billettes tubulaires : leur apparition est due à une désoxydation insuffisante de l’acier en fusion et à la présence de gaz (notamment d’hydrogène) dans ce dernier. Ce défaut se manifeste par une pellicule irrégulière à la surface extérieure du tube après perforation ou laminage, semblable à des « ongles ». Dans les cas les plus importants, cette pellicule peut recouvrir toute la surface du tube. Ce type de défaut, généralement petit et superficiel, peut être éliminé par meulage.
La principale cause des fissures sous-cutanées dans le lingot tubulaire est la variation répétée de température de la couche superficielle du lingot lors de la coulée continue, engendrant de multiples changements de phase. Généralement, aucun défaut n'est observé ; s'il y en a, il s'agit de légers plis.
Fissures centrales et médianes dans les billettes tubulaires : Les fissures centrales et médianes dans les billettes tubulaires rondes issues de la coulée continue sont les principales causes de la flexion vers l’intérieur des tubes en acier sans soudure. Les causes de ces fissures sont complexes et impliquent les effets du transfert de chaleur lors de la solidification, la pénétration et les contraintes dans la billette. Toutefois, de manière générale, elles sont principalement déterminées par le processus de solidification de la billette dans la zone de refroidissement secondaire.
Retrait et affaissement des billettes tubulaires : principalement dus à l’effet de grain avancé de la billette lors de la solidification, le mouvement du métal liquide se produit en fonction de la résistance au retrait causée par le refroidissement dans le sens de la solidification. Si la billette tubulaire ronde de coulée continue présente un affaissement et un retrait, cela n’aura que peu d’incidence sur la qualité du tube brut laminé en biais et perforé.
1.3 Défauts microstructuraux des billettes tubulaires : microscope à fort grossissement ou microscope électronique.
Lorsque la composition et l'organisation de la billette sont hétérogènes et qu'une forte ségrégation se produit, le tube d'acier laminé présentera une structure en bandes marquée, ce qui affectera ses propriétés mécaniques et sa résistance à la corrosion, et le rendra non conforme aux exigences. Une teneur en inclusions trop élevée dans la billette affectera non seulement les performances du tube d'acier, mais risque également de provoquer des fissures lors du processus de production.
Facteurs : éléments nocifs dans l'acier, ségrégation de la composition et de l'organisation des billettes tubulaires et inclusions non métalliques dans les billettes tubulaires.
2. Défauts de chauffage des billettes tubulaires.
Dans la production de tubes en acier sans soudure laminés à chaud, deux étapes de chauffage sont généralement nécessaires, de l'ébauche de tube au tube fini : le chauffage de l'ébauche avant perforation et le réchauffage des tubes bruts après laminage, avant calibrage. Lors de la production de tubes en acier laminés à froid, un recuit intermédiaire est requis pour éliminer les contraintes résiduelles. Bien que chaque étape de chauffage ait un objectif différent et que le four puisse varier, un paramétrage et un contrôle inadéquats de la température peuvent entraîner des défauts de chauffage dans l'ébauche (tubes) et affecter la qualité des tubes. Le chauffage de l'ébauche avant perforation vise à améliorer la plasticité de l'acier, à réduire sa résistance à la déformation et à lui conférer une bonne structure métallographique pour le laminage. Les fours utilisés sont les fours annulaires, les fours à poutre mobile, les fours à sole inclinée et les fours à sole mobile. Le réchauffage des tubes bruts avant calibrage a pour but d'augmenter et d'homogénéiser leur température, d'améliorer leur plasticité, de contrôler leur structure métallographique et de garantir les propriétés mécaniques des tubes. Les fours de réchauffage comprennent principalement des fours à poutre mobile, des fours à sole à rouleaux continus, des fours à sole inclinée et des fours à induction électrique. Le recuit des tubes d'acier laminés à froid vise à éliminer l'écrouissage induit par la transformation à froid, à réduire la résistance à la déformation de l'acier et à faciliter la poursuite de la transformation. Les fours utilisés pour le recuit sont principalement des fours à poutre mobile, des fours à sole à rouleaux continus et des fours à sole mobile.
① Les défauts courants du chauffage des billettes tubulaires comprennent : le chauffage inégal de la billette tubulaire (tube en acier) (communément appelé surface yin et yang), l'oxydation, la décarburation, les fissures de chauffage, la surchauffe et la surbrûlure.
② Les principaux facteurs affectant la qualité du chauffage des billettes tubulaires sont : la température de chauffage, la vitesse de chauffage, le temps de chauffage et de maintien, et l'atmosphère du four.
③ Température de chauffage des billettes tubulaires : elle se manifeste principalement par une température trop basse, trop élevée ou irrégulière. Une température trop basse augmente la résistance à la déformation de l’acier et réduit sa plasticité. En particulier, si la température de chauffage ne permet pas une transformation complète de la structure métallographique de l’acier en grains d’austénite, le risque de fissuration de la billette tubulaire lors du laminage à chaud augmente. Une température trop élevée provoque une oxydation importante, une décarburation, voire une surchauffe ou une brûlure excessive de la surface de la billette tubulaire.
④ Vitesse de chauffage des billettes tubulaires : La vitesse de chauffage des billettes tubulaires est étroitement liée à l'apparition de fissures. Une vitesse de chauffage trop élevée favorise l'apparition de ces fissures. En effet, lorsque la température de surface de la billette augmente, une différence de température se crée entre le métal interne et le métal externe, entraînant une dilatation thermique inégale et des contraintes thermiques. Lorsque ces contraintes dépassent la limite d'élasticité du matériau, des fissures apparaissent. Ces fissures peuvent se former en surface ou à l'intérieur de la billette. La perforation d'une billette fissurée peut facilement provoquer des fissures ou des plis sur ses surfaces interne et externe. Prévention : Il est recommandé d'utiliser une vitesse de chauffage réduite lorsque la billette est encore froide à son entrée dans le four. Cette vitesse peut ensuite être augmentée progressivement à mesure que la température de la billette augmente.
Durée de chauffage et de maintien en température des billettes tubulaires : La durée de chauffage et de maintien en température des billettes tubulaires est liée aux défauts de chauffage (oxydation superficielle, décarburation, granulométrie grossière, surchauffe, voire surcuisson, etc.). En règle générale, plus le chauffage de la billette tubulaire à haute température est long, plus le risque d’oxydation superficielle importante, de décarburation, de surchauffe, voire de surcuisson est élevé, ce qui peut, dans les cas les plus graves, rendre le tube d’acier inutilisable. Mesures préventives : A. S’assurer que la billette tubulaire est chauffée uniformément et que sa structure est entièrement austénitique ; B. Dissoudre les carbures dans les grains d’austénite ; C. Éviter la formation de grains d’austénite grossiers et l’apparition de cristaux mixtes ; D. Éviter la surchauffe et la surcuisson de la billette tubulaire après chauffage.
En résumé, pour améliorer la qualité du chauffage des billettes tubulaires et prévenir les défauts de chauffage, les exigences suivantes sont généralement respectées lors de la définition des paramètres du processus de chauffage : A. Température de chauffage précise afin de garantir que la perforation soit effectuée dans la plage de températures offrant la meilleure perméabilité de la billette ; B. Température de chauffage uniforme : s’efforcer de limiter l’écart de température de la billette entre le sens longitudinal et transversal à ±10 °C ; C. Limitation de la combustion du métal : pendant le chauffage, il convient d’éviter la sur-oxydation, les fissures superficielles, l’adhérence, etc. ; D. Système de chauffage adapté : la température, la vitesse et la durée de chauffage (et de maintien) doivent être correctement coordonnées afin d’éviter la surchauffe, voire la combustion, de la billette.
Date de publication : 17 janvier 2025