Accouplements pour fours rotatifs à ciment : exigences d’ingénierie, science des matériaux et applications concrètes au Royaume-Uni

Mécanisme de transmission du couple

Un accouplement à engrenages se compose de deux moyeux à denture interne s'engrenant avec deux manchons à denture externe. Lorsque l'arbre d'entraînement tourne, le couple est transmis par l'engrènement des dents en développante. Le profil bombé (en forme de tonneau) des dents externes constitue l'innovation majeure : il permet à l'accouplement de compenser un défaut d'alignement angulaire jusqu'à 1,5 degré et un décalage parallèle de plusieurs millimètres sans générer de contraintes excessives sur les bords. Dans un four rotatif à ciment, où l'enveloppe du four se dilate thermiquement de 30 à 50 mm lors des cycles de montée en température, cette tolérance au défaut d'alignement n'est pas un luxe, mais une nécessité opérationnelle absolue.

Répartition de la charge et absorption des chocs

Lors du démarrage d'un four, le frottement statique entre la charge et le réfractaire froid génère un pic de couple momentané pouvant atteindre trois à cinq fois le couple nominal. L'engrènement des dents répartit cette charge sur plusieurs paires de dents simultanément, évitant ainsi la concentration de contraintes susceptible de rompre une bride d'accouplement rigide. Le film lubrifiant à l'intérieur du carter d'accouplement étanche assure également un amortissement hydraulique. Les ingénieurs des cimenteries de Sheffield et de Barnsley, qui ont remplacé les anciens accouplements à goupilles et douilles par des accouplements à engrenages modernes, constatent une réduction significative de l'usure des paliers de tourillon, conséquence directe de la suppression des moments de flexion que les accouplements à goupilles imposent aux extrémités de l'arbre.

Systèmes de lubrification et d'étanchéité

Les accouplements à engrenages des fours rotatifs fonctionnent dans un carter étanche rempli de graisse EP (extrême pression) haute viscosité ou d'huile pour engrenages. Les joints labyrinthes à chaque extrémité empêchent la pénétration de poussière de ciment tout en retenant le lubrifiant sous l'effet de la force centrifuge. Les accouplements modernes utilisent des joints toriques à faces planes renforcés par des rainures labyrinthiques, une conception qui permet d'espacer les lubrifications jusqu'à 6 000 heures de fonctionnement, voire plus. Sur les fours à fonctionnement continu, courants dans les cimenteries intégrées britanniques telles que celles de Cauldon et de Westbury, cela se traduit par une seule opération de lubrification planifiée tous les 250 jours, au lieu des interventions mensuelles qu'exigeaient les anciens systèmes d'engrenages ouverts. La réduction des interventions de maintenance dans les environnements fortement poussiéreux représente un gain tangible en termes de sécurité et de productivité.

Matériau du moyeu

Acier allié 42CrMo4

Trempé et revenu à une dureté de 28–32 HRC, cet alliage de chrome-molybdène offre une résistance à la traction supérieure à 1 000 MPa et une excellente résistance à la fatigue sous les charges de flexion cycliques dues au défaut d’alignement de l’arbre. Sa bonne usinabilité permet la rectification de précision des profils de dents selon la norme ISO 6, essentielle pour une transmission de puissance fluide aux faibles vitesses de rotation typiques des entraînements de four (0,5 à 4 tr/min).

Manchon / Anneau extérieur

Acier 20CrMnTi cémenté

La douille intérieure, qui supporte les dents internes, est cémentée et trempée à une dureté de 58 à 62 HRC en surface, tout en conservant un cœur très résistant. Cette structure à double dureté résiste à la corrosion par piqûres et à l'usure qui réduisent la durée de vie des dents dans les applications à couple élevé et à faible vitesse. L'acier 20CrMnTi est le choix standard des fabricants d'accouplements chinois et européens pour les composants exigeant à la fois une dureté superficielle et une ténacité à cœur élevées.

Boîtier / Bride

Fonte ductile GGG-50

Pour le carter d'accouplement et les brides, la fonte ductile (fonte nodulaire, EN-GJS-500-7) allie la coulabilité nécessaire aux géométries complexes à une résistance à la traction supérieure à 500 MPa et un allongement d'environ 71 TP4T, lui conférant la capacité d'absorber les chocs sans rupture fragile. Sa densité inférieure à celle de l'acier réduit la masse en porte-à-faux sur l'arbre du pignon du four, diminuant ainsi les charges sur les paliers. Le traitement de surface par un primaire et une couche de finition riches en époxy assure une résistance à la poussière de ciment alcaline et à l'humidité, caractéristiques des bâtiments de fours britanniques.

Joints et élastomères

Composé FKM Viton®

Les joints toriques et les joints à lèvres des raccords de fours à ciment sont spécifiés en FKM (fluoroélastomère) plutôt qu'en caoutchouc NBR standard, car le FKM conserve ses propriétés d'étanchéité de -20 °C à +200 °C et résiste aux milieux alcalins. La contamination du lubrifiant des raccords par la poussière de ciment est une cause majeure de défaillance dans l'industrie ; une étanchéité optimale grâce au FKM peut doubler, voire tripler, l'intervalle entre les vidanges de lubrifiant et réduire considérablement l'usure abrasive des dents d'engrenage.

Capacité de couple élevée dans un format compact

Les accouplements à engrenages transmettent un couple plus important par unité de diamètre extérieur que tout autre type d'accouplement flexible. Ceci est crucial sur les fours rotatifs où l'espace disponible entre la bandage du four et la couronne dentée est souvent très restreint, limitant ainsi la place pour l'accouplement. Un accouplement à engrenages d'une capacité de 500 kN·m peut avoir un diamètre extérieur seulement 20% supérieur à celui d'un accouplement à mâchoires flexibles équivalent d'une capacité de 100 kN·m, ce qui le rend idéal pour les rénovations où l'encombrement au sol ne peut être modifié.

Tolérance au désalignement sous cyclage thermique

La géométrie à denture bombée permet de compenser simultanément le désalignement angulaire (jusqu'à 1,5°) et le déplacement axial (jusqu'à 8 mm par demi-accouplement). Lors de la phase de montée en température d'un four à sec, la paroi se dilate axialement et la géométrie du support de tourillon se modifie, engendrant un désalignement qui détruirait un accouplement rigide à bride en quelques heures. Les accouplements à engrenages supportent ce type de désalignement avec aisance pendant des années, à condition que la lubrification soit assurée et que le désalignement reste dans les limites de conception.

Longévité éprouvée — Durée de vie de plus de 15 ans

Dans les cimenteries fonctionnant en continu (les fours au Royaume-Uni fonctionnent généralement de 250 à 330 jours par an), l'accouplement entre l'arbre de sortie de la boîte de vitesses principale et l'arbre du pignon du four doit résister à plusieurs cycles de production avant révision. Les accouplements à engrenages correctement spécifiés et entretenus atteignent régulièrement 80 000 à 120 000 heures de fonctionnement avant que l'usure des dents n'atteigne le seuil de remplacement, soit 15 ans de service ou plus. Cette longévité réduit directement le coût total de possession par rapport aux accouplements élastomères qui nécessitent le remplacement d'éléments tous les 3 à 5 ans.

Interventions simples sur le terrain sans outils spéciaux

L'entretien des accouplements, qui consiste principalement en la relubrification et le contrôle périodique de l'usure des dents à l'aide de jauges d'usure, peut être réalisé par les équipes de maintenance de l'usine sans intervention d'un prestataire spécialisé. Les deux moitiés de l'accouplement se séparent axialement, ce qui évite de repositionner le moteur d'entraînement et le réducteur pour accéder aux dents. Dans les cimenteries isolées du Pays de Galles ou des Highlands écossais, la possibilité d'effectuer la maintenance avec les compétences locales et l'outillage standard présente des avantages pratiques et budgétaires considérables.

Personnalisable selon la géométrie exacte de l'entraînement

Aucun système d'entraînement de four rotatif n'est identique à un autre. Le diamètre des arbres, les dimensions des rainures de clavette, la longueur des alésages de moyeu et l'entraxe varient selon les fabricants et même d'un modèle à l'autre au sein d'une même gamme. Un fabricant d'accouplements bien équipé peut fournir des moyeux sur mesure, alésés et clavetés selon les plans, avec des dents extérieures rectifiées pour s'adapter au manchon et des brides percées selon le schéma de boulonnage de l'installation. Ceci évite les modifications coûteuses sur site qui surviennent lorsque des pièces standard du catalogue sont forcées de s'adapter à des applications non standard.

Conformité aux normes ATEX et au marquage CE

Les réglementations britanniques et européennes exigent que les composants mécaniques utilisés en atmosphères potentiellement explosives (la zone ATEX 22 est courante dans les cimenteries, notamment dans les zones de broyage de la farine crue et de finition) soient certifiés CE et ATEX. Les accouplements à engrenages certifiés ATEX II 2D, bénéficiant d'un traitement de surface anti-étincelles et d'un équilibrage conforme à la norme ISO 21940, répondent aux exigences de la Health and Safety Executive (HSE), rigoureusement appliquées dans les cimenteries britanniques suite à plusieurs incidents graves survenus dans des secteurs connexes.

Scénario 1 — Entraînement principal du four : sortie de l’arbre à pignon vers la boîte de vitesses

La liaison entre l'arbre de sortie du réducteur principal et l'arbre du pignon du four est l'accouplement le plus sollicité en couple dans toute la cimenterie. Dans un four britannique typique d'une capacité de 3 000 tonnes par jour — une taille courante pour les installations exploitées par les grands producteurs de la vallée de Hope dans le Derbyshire ou le long de l'estuaire de la Tamise — le moteur d'entraînement principal développe une puissance de 1 500 à 4 000 kW, transmise par un réducteur hélicoïdal ou planétaire à plusieurs étages avant d'atteindre l'arbre du pignon à une vitesse de 2 à 6 tr/min, avec un couple correspondant de 500 à 2 500 kN·m. L'accouplement, à cet endroit, doit non seulement supporter ce couple en continu, mais aussi résister au couple de surcharge 250% qui se produit à chaque démarrage à froid du four, lorsque la charge gelée de farine crue et de cendres de combustible résiste à la rotation jusqu'à ce que le frottement statique soit vaincu. Dans cette application, les accouplements à engrenages de forte section constituent la seule option pratique. Leur encombrement face à face est généralement compris entre 600 mm et plus de 1 200 mm, avec un alésage d'arbre de 250 mm à 500 mm de diamètre. Un ajustement serré H7/r6 est standard afin de prévenir la corrosion de contact des surfaces d'accouplement sous l'effet des micromouvements oscillatoires liés aux inversions de couple lors du fonctionnement du four.

Scénario 2 — Entraînement auxiliaire du four (barring) : rotation lente pendant la maintenance

Chaque four rotatif industriel nécessite un entraînement auxiliaire ou de barillet : un entraînement de faible puissance et à très basse vitesse qui maintient le four en rotation lente (généralement de 0,1 à 0,3 tr/min) lors des arrêts à chaud planifiés et imprévus afin d'éviter la déformation de l'enveloppe du four due à la contraction thermique différentielle. L'accouplement entre le moteur de l'entraînement de barillet et l'entrée du réducteur principal, ou entre un réducteur de barillet séparé et la roue dentée principale du four, est beaucoup moins sollicité que l'entraînement principal, mais présente ses propres défis. L'accouplement doit se désengager proprement lors du redémarrage de l'entraînement principal et transmettre le couple de manière fiable, même après des mois d'inactivité (les entraînements de barillet peuvent rester inactifs entre les arrêts de maintenance majeurs). Les accouplements à disques sont de plus en plus souvent utilisés pour les applications d'entraînement de barillet, car leur rigidité en torsion et l'absence de jeu permettent un positionnement précis lors des interventions de maintenance à proximité du four rotatif. Un accouplement à disques en acier inoxydable avec des couples de 100 à 2 000 N·m, dimensionné pour les moteurs d'entraînement de 15 à 37 kW couramment utilisés sur les fours britanniques, remplit cette fonction sans les problèmes de lubrification qui compliqueraient l'utilisation d'un accouplement à engrenages dans les systèmes peu utilisés.

Scénario 3 — Entraînements des ventilateurs du broyeur et du refroidisseur de matières premières dans le circuit de l'usine de ciment

Au-delà du four lui-même, une cimenterie complète comprend plusieurs autres entraînements où les accouplements à engrenages et flexibles sont indispensables. L'entraînement du broyeur à cru, généralement un broyeur vertical à rouleaux ou un broyeur à boulets consommant de 2 000 à 8 000 kW, utilise un accouplement à engrenages sur son arbre de sortie de boîte de vitesses. Cet accouplement présente des dimensions et des spécifications comparables à celles de l'entraînement principal du four, mais à des vitesses nettement supérieures (l'arbre du pignon du broyeur à cru tourne généralement entre 50 et 120 tr/min). L'entraînement de la grille alternative ou du refroidisseur rotatif du refroidisseur de clinker utilise des accouplements à engrenages de moyenne série. Les entraînements des ventilateurs de tirage induit (VDI) de la tour de préchauffage, qui gèrent les débits de gaz considérables (de 400 000 à 1 200 000 Nm³/h) à travers le préchauffeur cyclone, utilisent des accouplements à poutre flexible ou des accouplements à disque sur leurs arbres moteurs à grande vitesse (généralement de 1 000 à 1 500 tr/min). Un équilibrage précis et une limitation des vibrations sont essentiels pour la longévité des paliers. Dans les cimenteries de la vallée de Ribblesdale, dans le Lancashire, et dans la ceinture calcaire du Lincolnshire, les ingénieurs de maintenance programment les inspections des accouplements pour qu'elles coïncident avec l'arrêt estival annuel, créant ainsi une demande concentrée de pièces de rechange pour les accouplements et de lubrifiants qu'un fournisseur britannique fiable et expérimenté doit être en mesure de satisfaire à partir de ses stocks.

Scénario 4 — Préparation du broyeur à charbon et des combustibles alternatifs : Raccords certifiés ATEX

Les cimenteries britanniques sont progressivement passées de la combustion primaire du charbon au co-traitement de combustibles alternatifs, notamment les combustibles dérivés de déchets (CDD), les pneus usagés et la biomasse, sous l'impulsion des engagements du Royaume-Uni en matière de neutralité carbone et des incitations économiques liées à la substitution du charbon importé. Cette transition a modifié les exigences réglementaires en matière de préparation des combustibles. Les broyeurs à charbon et les entraînements des broyeurs à combustibles alternatifs fonctionnent en zone ATEX 22, où les concentrations de poussières de charbon ou de biomasse peuvent atteindre des niveaux explosifs. Tout accouplement dans ces zones doit être certifié ATEX et sa finition de surface doit être antidéflagrante (généralement en aluminium anodisé ou en acier revêtu de bronze pour les surfaces externes). La température de fonctionnement du corps de l'accouplement doit également être surveillée – ou sa conception doit intrinsèquement éviter la formation de points chauds – car les températures d'auto-inflammation des fines poussières de charbon (environ 225 °C) et de la biomasse (200 à 250 °C) sont facilement atteintes par une zone de contact métal-métal mal lubrifiée. Les accouplements à engrenages certifiés ATEX II 2D T3 constituent la spécification standard à ces postes dans les cimenteries britanniques, et les équipes d'approvisionnement exigent de plus en plus une preuve de certification par un laboratoire d'essais plutôt qu'une auto-déclaration lors de l'approvisionnement en accouplements de remplacement.

Partenaire de fabrication — Division export du Royaume-Uni

Ever Power : Fabrication de raccords de précision pour l'industrie mondiale du ciment

Ever Power exploite une usine de 35 000 m² équipée de centres d'usinage CNC pour rectification d'engrenages, de machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) et de laboratoires de contrôle qualité dédiés. Chaque accouplement destiné à la transmission principale des fours à ciment est soumis à une chaîne de production documentée, incluant des certificats de traçabilité des matériaux conformes à la norme EN 10204 3.1, des rapports d'inspection du profil des dents d'engrenage et des tests unitaires assemblés selon la norme ISO 14691. Pour ses clients britanniques, Ever Power dispose du marquage CE, des certificats ATEX II 2D pour les versions destinées aux zones dangereuses et propose des conditions de livraison DAP (Delivered At Place) au Royaume-Uni. Ainsi, le matériel est entièrement dédouané et livré sur site, simplifiant les procédures d'approvisionnement qui compliquent souvent les importations directes.

L'équipe d'ingénierie de l'entreprise prend en charge les demandes de conception sur mesure dans des délais conformes aux normes du secteur : plans préliminaires sous 5 jours ouvrés, plans de fabrication complets pour approbation client sous 10 jours et livraison des raccords finis sous 8 à 14 semaines pour les unités de grande série. En cas de remplacement urgent – ​​par exemple, lorsqu'un raccord de four tombe en panne de manière inattendue en cours de production – le programme de fabrication express d'Ever Power permet de livrer des raccords de moyenne série sous 3 à 4 semaines. Grâce à ses partenaires logistiques assurant un transport routier direct de Chine vers n'importe quel port ou centre de distribution britannique, le délai de livraison total, porte à porte, pour les expéditions express est généralement de 18 à 25 jours.

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Arrière-plan

Une cimenterie à procédé sec de Clitheroe, dans le Lancashire – un site qui fabrique du ciment Portland depuis l'époque victorienne en utilisant les abondants gisements de calcaire de la vallée de la Ribble – subissait une défaillance prématurée de l'accouplement principal du four environ tous les 4 à 5 ans. L'accouplement existant était un modèle ancien à goupilles et douilles, en service depuis la dernière grande rénovation du four au milieu des années 2000. Les rapports de maintenance révélaient une usure progressive par frottement des alésages du moyeu de l'accouplement, des fissures périodiques dans la douille et, à deux reprises au cours de la décennie précédente, un arrêt imprévu du four, directement imputable à la défaillance de l'accouplement lors d'un redémarrage sous charge maximale après un blocage du silo de matières premières. Chaque arrêt imprévu a coûté à l'usine plus de 180 000 £ en pertes de production, frais d'intervention d'urgence et inspection des réfractaires.

Solution — Implication d'Ever Power

L'équipe d'ingénierie mécanique de l'usine a contacté Ever Power par l'intermédiaire de son distributeur britannique à Sheffield, suite à la recommandation d'une usine sœur de la Hope Valley qui avait installé des accouplements à engrenages renforcés Ever Power sur l'entraînement de son broyeur à matières premières l'année précédente. Les ingénieurs d'application d'Ever Power ont demandé les données dimensionnelles complètes, les paramètres du cycle de service, la fréquence de démarrage et les données de température ambiante pour l'entraînement principal du four de Clitheroe. En six jours, des plans préliminaires ont été soumis, présentant un accouplement à engrenages renforcés sur mesure, avec des alésages de moyeu de 320 mm de diamètre, claveté avec une clavette parallèle conforme à la norme DIN 6885, des moyeux en acier 42CrMo4 trempé et revenu, rectifiés selon la norme ISO 6, et un agencement de moyeux divisés permettant l'installation sans démontage axial des arbres. La proposition comprenait également un système de lubrification intégré par bain d'huile avec indicateur de niveau à voyant et orifices de vidange/remplissage accessibles depuis la passerelle de maintenance, évitant ainsi aux équipes de maintenance d'intervenir en hauteur.

Résultats

L'accouplement Ever Power a été installé lors de l'arrêt de maintenance estivale programmé de la centrale, sur une période de deux jours. Depuis son installation il y a 31 mois, la centrale a effectué trois cycles de maintenance saisonniers et deux démarrages à froid complets sans le moindre problème lié à l'accouplement. Les données de surveillance des vibrations, issues des accéléromètres de la transmission principale, montrent une réduction des vibrations radiales basse fréquence (22%) par rapport aux valeurs de référence avant installation, grâce à la tolérance supérieure au désalignement permise par la nouvelle conception à denture bombée. L'équipe de maintenance a procédé à une opération de relubrification planifiée à 6 000 heures, comme prévu. La durée de vie de l'accouplement, estimée à partir des mesures d'usure des dents, est supérieure à 15 ans.