Le laminage est un procédé de fabrication par déformation plastique. Il concerne différents matériaux comme du métal suffisamment malléable ou tout autre matériau sous forme plastique, fibreuse ou pâteuse comme le verre à chaud, le papier ou les pâtes alimentaires. Cette déformation est obtenue par compression continue au passage entre deux cylindres contrarotatifs (tournant en sens inverse l'un de l'autre), appareillage appelé « laminoir »Eustace C. Larke, trad. Bernard Bonnefoy, Le Laminage des produits plats, Dunod, 1963 ...
Un laminoir au sens générique représente une machine ou un dispositif, mais aussi par extension un atelier ou une installation industrielle, ayant pour but la réduction d'épaisseur d'un matériau, par déformation plastique : cette opération de laminage permet la fabrication d'un grande variété de produits commerciaux plats ou longs. Les produits en cours de laminage sont entrainés par les cylindres sous l'action des forces de frottement apparaissant à la surface de contact entre les cylindres et le produit laminé. Le laminage désigne aussi communément une opération métallurgique ancienne consistant à façonner un métal solide, au marteau ou au laminoir, laissant par exemple des lames de diverses tailles et épaisseurs, des tôles simples (produits plats), des tôles ondulées ou creusées d'encoches, ou encore des tiges, rails, barres, profilées, tubes (produits longs) etc.
Typologie Laminoirs à produits plats thumb|Laminoir continu.
Les laminoirs à produits plats peuvent être utilisés pour différents matériaux comme les métaux, le papier, ou encore le verrePar exemple pour produire les verres imprimés, colorés ou non, utilisés dans l'aménagement intérieur, les vitrages occultant et la décoration..
Différentes configurations de cages de laminoirs existent, en fonction du nombre de rouleaux. Utiliser de petits diamètres pour les rouleaux de contact avec la matière permet de réduire la surface en contact, ainsi que les efforts à appliquer. En contrepartie, cela nécessite d'ajouter des rouleaux d'appui pour redonner de la rigidité au système.
vignette|gauche|Configurations de cages de laminoirs. Légende: A. Duo B. 3 cylindres C. Quarto D. 6 cylindres E. 12 cylindres & F. 20 cylindres ().
Un laminoir composé d'une seule cage est souvent un laminoir réversible.
Si plusieurs cages se succèdent, on parlera d'un train de laminage.
De plus, si le produit est en prise dans plusieurs cages en même temps, on parlera d'un tandem (c'est le cas pour la production de longues bandes d'acier où les trains ont de 4 à 9 cages).
Autres types de laminoirs Il existe de nombreux autres types de laminoirs : laminoir à produits longs : laminoirs universels (métaux), laminoirs en cannelures (métaux) ; laminoirs à fils : fils industriels (cuivre par exemple), laminoirs de bijoutiers ; laminoirs à rouleaux coniques : pour le formage des roues pour le chemin de fer ; laminoir à pâtes alimentaires : pour toutes les nouilles plates y compris les lasagnes ; laminoir de boulangerie/pâtisserie : pour les pâtes à tartes, la pâte feuilletée et à croissants.
Historique Ce chapitre historique porte exclusivement sur le laminage de l'acier dans l'industrie sidérurgique. Selon Robert Vorpe, le laminage est un procédé de forge rapide qui donne en série et sous forme définitive, des produits commerciaux, tels que barres, poutrelles, rails, tôles, etc, Matériaux, opus cité, 1966, p. 184.. Il existe aussi un laminage de haute précision, dans l'industrie mécanique depuis plus d'un demi-siècle.
Invention du procédé thumb|Carl Blechen, Laminoir à Neustadt-Eberswalde, huile sur bois, vers 1830. De petits laminoirs à main furent utilisés dès le . Les premières installations importantes, actionnées par roue à eau, apparaissent au . Il faut attendre l'arrivée de la machine à vapeur pour que la pratique du laminage des métaux prenne un essor important.
Depuis, le laminage est devenu une activité à part entière qui doit beaucoup aux expériences réalisées à la en Galles du Sud en 1905, où il avait été décidé de concevoir un laminoir complet permettant de laminer à chaud, en continu, une bande de de large.
Parmi les trouvailles importantes réalisées à partir de 1900 on trouve : des fours en continu, des grues électriques, des cisailles volantes capables de couper la bande en longueurs prédéterminées dès qu'elle sort des cylindres à une vitesse de , des guides usinés, des bobines conçues pour enrouler à vitesse élevée.
Le laminage à chaud en continu
C'est en 1926, aux États-Unis, qu'apparaît le premier laminoir continu à larges bandes à chaud : il fabrique des plats ; De fait, il apporte des améliorations spectaculaires :
+ Comparaison des améliorations apportées. Trains à chaud Train continu à chaud Amélioration Tôles fines Mise au mille 21 % Consommation combustible (kCal/t) 40 % Consommation électrique (kWh/t) 233 213 10 % Main d'œuvre (h/t) 58 12 79 % Fer-blanc Mise au mille 42 % Consommation combustible (kCal/t) 60 % Consommation électrique (kWh/t) 395 257 35 % Main d'œuvre (h/t) 69 17 75 %
L'invention se généralise en Europe de l'Ouest après 1948. En France, le laminoir à chaud d'Usinor à Denain est construit à partir du et est opérationnel dès le La création d'Usinor ., puis un peu plus tard celui de la Sollac, à l'usine sidérurgique de Florange, qui le met en service en 1953..
Le laminoir en continu s'inscrit dans l'évolution de la sidérurgie en entraînant une intégration verticale plus poussée. En effet, une seule installation réalise les opérations de réchauffage, les laminages en bande, le traitement thermique et le bobinage. Mais il accentue encore l'évolution du métier vers l'industrie lourde : son coût d'investissement est très élevé : en 1975, il représente la moitié de l'investissement pour un complexe sidérurgique moderne ; la capacité optimale du laminoir est importante. Dès 1926, elle est de , ce qui correspond à la production d'un complexe sidérurgique moderne. La capacité du laminoir augmente cependant très vite : en 1950, en 1970. Par contre, en 1970, un laminoir de blooms a une capacité optimale limitée à .
Ainsi, en 1926 ou même en 1950, il fallait mettre devant un laminoir à larges bandes à chaud, cinq à dix hauts fourneaux et une dizaine de convertisseurs Martin ou Thomas. L'évolution logique de ces outils amont consiste alors à diminuer leur nombre pléthorique en augmentant leur taille unitaire : en 1975, un très gros haut fourneau a une capacité annuelle de de fonte brute et une aciérie LD peut produire avec trois convertisseurs jusqu'à d'acier. Le laminoir en continu de produits plats a ainsi redéfini la taille des outils sidérurgiques, y compris le laminoir en continu des produits longs, qui est alimenté par une aciérie électrique, ou qui est combiné aux outils produisant alimentant le laminoir de plats.
Laminoirs à chaud La présentation du matériel pour laminer, à savoir les deux chapitres successifs sur les laminoirs à chaud et à froid, montrent essentiellement des exemples tirées du laminage de l'acier. Le fer, l'acier, les divers alliages de cuivre doivent être préalablement chauffés à des températures adéquates avant laminage.
Le laminage à chaud a pour but de mettre en forme le matériau. Son principal avantage est la modification des caractéristiques mécaniques dans le sens de l'étirement. vignette|Ignace-François Bonhommé, croquis pour Tôlerie des forges d'Abainville représentant le travail au laminoir, 1837, Féru des Sciences. Le laminage à chaud peut provoquer une décarburation. Par ailleurs, il se forme une couche noire d'oxyde, voire de calamine, qui est enlevée par la suite, ce qui modifie l'état de surface. Dans le cas des tôles, la couche est souvent enlevée par acide, la tôle a donc dans ce cas une rugosité plus importante qu'une tôle laminée à froid.
Comme tous les procédés à chaud, il importe de maîtriser le cycle thermique afin de maîtriser la microstructure. En particulier, dans le cas des aciers inoxydables austénitiques, un procédé mal maîtrisé peut conduire à une « sensibilisation » (formation de précipités de carbures de chrome Cr23C6 entraînant un appauvrissement des zones voisines en chrome) qui dégrade les propriétés de l'acier vis-à-vis de la corrosion intergranulaire.
Le laminage à chaud est également propice à une recristallisation dynamique ; les produits laminés à chaud sont donc en général moins durs que les produits laminés à froid (avant traitement thermique).
Laminage des produits plats vignette|Maquette du train à bandes d'Ougrée. vignette|Laminage à chaud, usine Baosteel, Shanghai, Chine. Il existe de nombreux types de laminoirs dans l'industrie sidérurgique : laminoir à plaque () pour des produits de quelques mètres de largeur et de longueur et de plusieurs centimètres d'épaisseur ; laminoir dégrossisseur () pour la réduction d'épaisseur des brames sans besoin de précision : transforme un produit issu de l'acierie (la brame, sorte de pavé d'acier de 10 à d'épaisseur) en coil (bobine de métal enroulée à chaud) ayant une épaisseur de maximum ; laminoir vertical () pour la mise à largeur des produits (souvent couplé à un laminoir dégrossisseur) ; train à bande ;
train à froid ; réversible à froid.
Principe
Le principe du laminage est celui dit du « coin tournant ».
Après passage dans un four de réchauffage qui porte les brames à plus de , le métal est acheminé sur des rouleaux motorisés. Progressivement, par un passage successif dans différentes cages équipées de cylindres refroidis à l'eau le métal perd en épaisseur et gagne en longueur.
Composition Une cage de laminoir est composée : d'une paire de cylindres dits entre lesquels le matériau est allongé. Les cylindres de travail sont en fonte rectifiée ; d'une autre paire de cylindres dits (un cylindre de chaque côté de la paire de cylindres de travail) pour réduire la déformation des cylindres de travail. Les cylindres de soutien sont en acier ; de deux colonnes métalliques maintenant ensemble les cylindres (une colonne de chaque côté).
Les efforts considérables exercés sur les cylindres au cours du laminage provoquent une flexion de l'empilage mécanique et donc une surépaisseur au milieu de la bande (on parle de bombé), ce défaut est souvent compensé de deux façons : lors de la rectification des cylindres de travail, on donne à ceux-ci un bombé qui compense la surépaisseur ; la compensation peut être dynamique grâce à un système de contre-flexion ou cambrage, souvent hydraulique, qui permet de compenser le défaut quasiment en temps réel.
En sortie de laminoir, la bande peut être soumise à un arrosage d'eau qui lui confère des propriétés proches de celles de la trempe.
Pour éliminer les défauts de planéité de la bande, celle-ci peut passer au travers d'une planeuse, constituée de rouleaux disposés en quinconce d'avant en arrière et de haut en bas, le serrage de ces rouleaux est dégressif de l'entrée vers la sortie de la machine.
En fin de ligne le métal est enroulé sur des bobineuses.
Les premiers laminoirs continus (sans interruption entre les fours et les bobineuses) apparaissent aux États-Unis dans les années 1930 et après la Seconde Guerre mondiale en France.
Laminage des produits longs Les blooms ou billettes issues de la coulée en lingots ou de la coulée continue sont transformés en poutrelles, profilés, rails, barres, tubes ou fils (produit long).
Train à rail de chemin de fer Le train à rail de chemin de fer utilise exclusivement des semi-produits de section carré (blooms) de dimensions moyennes. Le rail est toujours laminé sur son flanc.
Un train de laminage à rail de chemin de fer est classiquement composé :