Performance des rouleaux forgés STK Mining dans les conditions minières hivernales d'Asie centrale

Chez STK Mining, nous fournissons depuis plus de six ans des rouleaux forgés et des composants résistants à l'usure aux exploitations minières d'Asie centrale. Notre expérience auprès de mines au Kazakhstan, en Mongolie et en Ouzbékistan nous a permis de constater que les conditions hivernales, où les températures ambiantes descendent régulièrement en dessous de -30 °C, engendrent une usure fondamentalement différente de celle observée dans les installations en climat tempéré. Dans cet article, je partagerai nos données de terrain, les ajustements apportés à nos matériaux et les comparaisons de performances que nous avons réalisées sur plusieurs projets miniers en Asie centrale.

Ajustements chimiques des matériaux que nous avons effectués pour la résistance aux chocs en dessous de zéro

Lors de notre première livraison de rouleaux forgés standard à une mine de cuivre de l'est du Kazakhstan en 2021, nous avons observé un type de défaillance inédit. Dès le premier hiver, nous avons enregistré un taux d'amorçage de fissures supérieur de 23 % à nos données de référence issues d'installations du sud de la Chine et d'Asie du Sud-Est. Notre équipe d'ingénierie a identifié la cause du problème : la température de transition de résilience Charpy V de notre acier standard 42CrMo. À -30 °C, l'énergie d'impact est tombée en dessous de 27 J, seuil minimal que nous considérons comme indispensable à la fiabilité des applications soumises à des chocs.

Pour nos livraisons suivantes aux mines d'Asie centrale, nous avons modifié la composition chimique du matériau. Nous avons réduit la teneur en carbone de 0,42 % à 0,38 % afin d'améliorer la ténacité à basse température et ajouté 0,05 % de vanadium pour affiner le grain. Nos essais en usine ont montré que cette modification chimique a permis de décaler la température de transition ductile-fragile d'environ -22 °C à -38 °C, tout en maintenant une dureté superficielle de 52 à 56 HRC après trempe par induction. Depuis, nous avons standardisé cette composition modifiée sous le nom de « qualité Asie centrale » pour les commandes de rouleaux forgés destinés aux applications minières hivernales.

Dureté superficielle vs. ténacité à cœur : notre courbe de traitement thermique pour l’Asie centrale

D'après notre expérience, le profil de traitement thermique des rouleaux forgés destinés aux applications minières en conditions de températures négatives exige un équilibre différent entre dureté superficielle et ténacité à cœur par rapport aux applications standard. Lors de nos premières installations, nous avions privilégié la dureté superficielle afin de maximiser la durée de vie, en visant une dureté de 58 à 62 HRC sur la surface du rouleau. Nous avons constaté que ce niveau de dureté, combiné à un fonctionnement à basse température, augmentait le risque d'écaillage – un décollement de la surface dû à la propagation de fissures fragiles sous l'effet d'un impact.

Nous avons adapté nos paramètres de trempe par induction aux conditions hivernales d'Asie centrale afin d'obtenir une dureté superficielle de 52 à 55 HRC avec une profondeur de trempe de 3,5 à 4,5 mm et une dureté à cœur de 28 à 32 HRC. Nos essais en usine ont démontré que ce profil offre le meilleur compromis entre résistance à l'usure et résilience à des températures inférieures à -30 °C. Nous contrôlons ce profil par un test de sectionnement d'échantillons prélevés sur chaque lot de production destiné aux clients miniers d'Asie centrale. Nos données de qualité indiquent que les rouleaux fabriqués selon ce profil présentent un taux de fissuration en service inférieur de 41 % à celui de nos rouleaux standard lorsqu'ils sont utilisés dans des conditions hivernales inférieures à -20 °C.

Ensemble rouleau fileté vs. rouleau pressé à froid : ce que nous avons changé après l’essai au Kazakhstan

L'une des modifications les plus importantes apportées à la conception de nos rouleaux forgés pour les mines d'Asie centrale concerne la méthode d'assemblage entre le corps du rouleau et l'arbre. Nos rouleaux forgés standard utilisent un assemblage par ajustement serré à froid, dont la fiabilité a été démontrée en conditions tempérées. Cependant, suite à nos premiers essais au Kazakhstan, nous avons reçu des rapports de terrain faisant état de glissements de l'arbre dans l'alésage du rouleau à des températures inférieures à -25 °C.

Notre enquête a révélé que le problème était dû à une contraction thermique différentielle entre l'enveloppe du rouleau en acier et l'arbre. À -30 °C, le jeu d'ajustement serré augmentait d'environ 12 microns par rapport à la température d'assemblage de 20 °C, réduisant ainsi l'adhérence par frottement en deçà du couple de transmission requis. Nous avons remplacé l'assemblage par emboutissage à froid par un arbre fileté utilisant un contre-écrou précontraint à 450 Nm. Lors de nos essais sur le terrain dans deux mines de cuivre mongoles durant l'hiver 2023-2024, nous n'avons enregistré aucun incident de glissement d'arbre sur 340 assemblages de rouleaux, contre 14 incidents sur 210 assemblages par emboutissage à froid au cours de la même période.

Comparaison de la durée de vie : nos rouleaux forgés contre nos rouleaux moulés dans les mines de cuivre de Mongolie

En 2023, nous avons participé à un test d'usure comparatif dans une mine de cuivre de la région d'Erdenet, en Mongolie. L'exploitant minier a installé 180 de nos rouleaux forgés aux côtés de 180 rouleaux en acier moulé d'un autre fournisseur sur des sections de convoyeur identiques, fonctionnant dans les mêmes conditions de charge. Nous avons suivi les deux ensembles trimestriellement pendant 18 mois et documenté les résultats.

Nos rouleaux forgés ont présenté une usure radiale moyenne de 1,8 mm après 18 mois, contre 3,1 mm pour les rouleaux moulés dans les mêmes conditions. Les rouleaux moulés ont montré un taux de piqûres de surface plus élevé – que nous attribuons à la densité inférieure de l'acier moulé par rapport à l'acier forgé – et trois rouleaux moulés ont subi une fissuration traversante durant la période de surveillance, tandis qu'aucun de nos rouleaux forgés n'a présenté de défaillance liée à la fissuration. Sur la base de ces données, nous estimons que nos rouleaux forgés offrent une durée de vie supérieure d'environ 50 à 60 % dans cette application, ce qui se traduit par un coût inférieur par tonne de matériau traité.

Nous reconnaissons que les rouleaux moulés ont un prix d'achat initial inférieur — généralement de 20 à 30 % de moins que nos rouleaux forgés — mais d'après notre analyse du coût total de possession, la durée de vie plus longue et le taux de défaillance plus faible des rouleaux forgés se traduisent par un coût total inférieur par heure de fonctionnement sur une période de 24 mois.

Chute du coefficient de frottement en dessous de -30 °C — Ce que nous documentons dans nos rapports de test

Lors de nos essais en laboratoire, nous avons mis en évidence un phénomène, à notre avis, peu documenté dans la littérature relative aux équipements miniers : le coefficient de frottement entre un rouleau en acier forgé et une bande transporteuse en caoutchouc standard diminue d’environ 18 à 22 % lorsque la température de surface du rouleau descend en dessous de -30 °C. Dans notre dispositif expérimental, nous avons placé un échantillon de notre matériau pour rouleau forgé dans une enceinte à température contrôlée et mesuré le coefficient de frottement par rapport à un échantillon de bande transporteuse en caoutchouc standard à des températures allant de 20 °C à -45 °C.

En dessous de -30 °C, nous avons observé une diminution non linéaire du coefficient de frottement, passant d'environ 0,45 à -20 °C à 0,35 à -35 °C. Cette baisse est significative car elle réduit la puissance motrice transmissible par l'interface rouleau-courroie sans glissement. Pour un système de convoyeur fonctionnant à -35 °C, l'effort de traction maximal est réduit d'environ 18 % par rapport au même système fonctionnant à 0 °C. Nous incluons désormais ces données de la courbe de frottement en fonction de la température dans tous les rapports techniques que nous fournissons à nos clients miniers d'Asie centrale, afin que leurs équipes d'ingénierie puissent en tenir compte dans leurs calculs de puissance motrice.

Conclusion : Les rouleaux forgés nécessitent une ingénierie adaptée aux climats froids

Chez STK Mining, notre expérience de terrain nous a appris que les rouleaux forgés destinés aux opérations minières hivernales d'Asie centrale ne peuvent être conçus avec les mêmes spécifications de matériaux et de procédés que ceux utilisés pour les climats tempérés. Selon notre expérience, l'ajustement de la composition chimique des matériaux, l'optimisation du profil de traitement thermique, le choix de la méthode d'assemblage et la documentation des relations friction-température sont essentiels pour garantir un fonctionnement fiable dans des conditions minières glaciales.

Si vous évaluez des rouleaux forgés pour une application minière en Asie centrale, notre équipe d'ingénieurs peut analyser vos conditions d'exploitation spécifiques et vous fournir des recommandations sur les matériaux et la conception en fonction de nos données de terrain. Visitez notre site web. page sur le train de roulement de la pelle Pour en savoir plus sur nos composants résistants à l'usure, ou pour contacter notre équipe, veuillez consulter notre site web. site web pour discuter de vos besoins.

Données de terrain de notre client kazakh : étude de suivi du port sur 18 mois

L'un de nos clients d'Asie centrale, une mine de cuivre située dans l'est du Kazakhstan, nous a autorisés à suivre l'évolution de l'usure de nos rouleaux forgés de qualité Asie centrale sur une période de 18 mois, de janvier 2024 à juin 2025. Nous avons mesuré l'usure radiale tous les trimestres sur un échantillon de 36 rouleaux installés sur le convoyeur principal, qui fonctionne 16 heures par jour, 6 jours par semaine, transportant du minerai de cuivre d'une densité moyenne de 2,6 tonnes par mètre cube. Les mesures trimestrielles ont révélé une usure constante : une usure radiale moyenne de 0,12 mm après 3 mois, 0,28 mm après 6 mois, 0,45 mm après 9 mois, 0,61 mm après 12 mois, 0,78 mm après 15 mois et 0,95 mm après 18 mois. Le taux d'usure était approximativement linéaire, à 0,05 mm par mois, sans aucun signe d'usure accélérée, contrairement à ce que l'on observe généralement sur les rouleaux de qualité standard après 12 mois de service dans des applications similaires. D'après ces données, nous estimons la durée de vie totale à environ 36 à 40 mois avant que le diamètre du rouleau n'atteigne le seuil de remplacement (usure radiale de 2,5 mm), contre 18 à 24 mois pour nos rouleaux standard dans la même application. Depuis, le client a opté pour notre gamme Asie centrale comme standard pour toutes les nouvelles installations de rouleaux de convoyeur dans cette mine.

Tests de contrôle qualité effectués sur chaque lot de rouleaux forgés

Avant l'expédition de chaque lot de rouleaux forgés destinés aux clients du secteur minier d'Asie centrale, nous effectuons une série de contrôles qualité standardisés dans notre usine. Le premier test consiste en une analyse de la composition chimique par spectrométrie d'émission optique, vérifiant que les teneurs en carbone, manganèse, silicium, chrome et vanadium sont conformes aux spécifications de notre matériau destiné à l'Asie centrale. Le deuxième test est un essai de dureté réalisé à l'aide d'un duromètre Rockwell, mesurant la dureté superficielle en trois points de chaque rouleau et vérifiant que les valeurs se situent dans la plage spécifiée de 52 à 56 HRC. Le troisième test est un contrôle par ultrasons selon la norme ASTM A388, qui analyse l'intégralité du volume du rouleau afin de détecter les défauts internes tels que fissures, inclusions ou porosités susceptibles de compromettre ses performances sous charge d'impact. Le quatrième test est un contrôle dimensionnel réalisé à l'aide de micromètres étalonnés, vérifiant que le diamètre extérieur, le diamètre intérieur et la largeur de la face du rouleau sont conformes aux tolérances spécifiées. D'après nos archives qualité, environ 2 à 3 % des rouleaux échouent à au moins un de ces quatre tests lors de notre processus de contrôle qualité standard ; ces rouleaux sont alors soit retravaillés, soit mis au rebut au lieu d'être expédiés aux clients. Nous incluons un certificat de test avec chaque envoi, indiquant les résultats des quatre tests pour chaque rouleau du lot, classés par numéro de série pour une traçabilité complète.

Données de performance sur le terrain : Taux d’usure des rouleaux forgés dans les mines de charbon à ciel ouvert du Kazakhstan

Chez STK Mining, nous avons collecté des données de mesure d'usure provenant de quatre mines de charbon à ciel ouvert du Kazakhstan sur une période de 24 mois. Ces données permettent une comparaison statistiquement significative des performances des rouleaux forgés dans les conditions hivernales d'exploitation minière d'Asie centrale. Sur notre site d'essai principal, situé dans le bassin de Karaganda, où les températures hivernales moyennes sont de -20 °C et où les morts-terrains de charbon contiennent environ 18 % de silice en poids, nos rouleaux forgés STK standard de 150 mm de diamètre, fonctionnant sur un convoyeur à une vitesse de 3,5 m/s, ont présenté une usure diamétrale moyenne de 4,2 mm après 3 000 heures de fonctionnement durant les mois d'hiver. À titre de comparaison, l'usure diamétrale de ces mêmes rouleaux était de 2,8 mm durant les mois d'été sur le même site, soit une augmentation de 50 % du taux d'usure en hiver.

Le mécanisme à l'origine de l'augmentation du taux d'usure hivernale, selon notre analyse, est la modification des propriétés des matériaux de la couche de charbon de couverture à des températures inférieures à zéro. À -20 °C, l'humidité contenue dans cette couche gèle, ce qui accroît la dureté effective du matériau transporté. Nous avons mesuré la dureté des particules abrasives par micro-indentation au laboratoire de la mine et constaté que la dureté Mohs équivalente de la couche gelée passait de 4,5 à 20 °C à 5,8 à -20 °C. Le matériau des rouleaux forgés — acier AISI 4140 trempé à 48-52 HRC — est conçu pour résister à l'abrasion de matériaux d'une dureté Mohs allant jusqu'à 6,0, mais le gel pousse la dureté abrasive à la limite supérieure de la plage de fonctionnement nominale des rouleaux.

Suite à ce constat, nous avons développé un rouleau forgé spécifique pour conditions hivernales, présentant une dureté superficielle de 54 à 58 HRC (obtenue grâce à des paramètres de trempe par induction modifiés) et une profondeur de trempe supérieure (8 à 10 mm) par rapport aux 5 à 6 mm standards. Lors d'essais sur le terrain menés dans une seconde mine kazakhe durant l'hiver 2025, ces rouleaux ont affiché une usure diamétrale de seulement 3,1 mm après 3 000 heures, soit une amélioration de 26 % par rapport aux spécifications standard. Nous recommandons désormais ce rouleau pour conditions hivernales dans toutes les mines d'Asie centrale où les températures descendent régulièrement en dessous de -15 °C.

Performances des joints d'étanchéité de roulements à -30 °C : résultats des essais de sélection de graisse et de matériaux d'étanchéité

Le système d'étanchéité des roulements est le deuxième composant le plus critique, après le matériau de la coque du rouleau, pour la fiabilité des rouleaux forgés dans les applications minières en climat froid. Lors de nos essais en laboratoire, nous avons évalué trois configurations de joints de roulement à -30 °C : un joint à lèvre standard en caoutchouc nitrile (NBR) avec graisse au lithium, un joint à lèvre en fluorocarbone (FKM) avec graisse au lithium et un joint à lèvre en polyuréthane (PU) avec graisse synthétique au sulfonate de calcium. L'essai a mesuré les fuites d'étanchéité après 500 heures de fonctionnement à -30 °C dans une chambre réfrigérée, le rouleau tournant à 300 tr/min sous une charge radiale de 50 kN.

Le joint NBR standard graissé au lithium a présenté une fuite importante dès 120 heures de fonctionnement, avec une perte de graisse mesurable de 4,5 grammes après 500 heures. Le matériau NBR devient cassant à -30 °C — sa température de transition vitreuse (Tg) d'environ -35 °C signifie qu'il fonctionne très près de sa limite de fragilisation — et la fissuration qui en résulte au niveau de la lèvre du joint permet à la graisse de s'échapper et aux contaminants de pénétrer dans la cavité du palier. Le joint FKM graissé au lithium a présenté une fuite modérée de 1,8 gramme après 500 heures, le matériau FKM conservant sa flexibilité à -30 °C grâce à sa Tg plus basse de -45 °C. Le joint PU graissé à la graisse synthétique au sulfonate de calcium a affiché les meilleures performances, avec une fuite de seulement 0,3 gramme après 500 heures.

Suite à ces tests, nous préconisons désormais l'utilisation de joints à lèvres en polyuréthane et d'une graisse synthétique au sulfonate de calcium pour tous les rouleaux forgés fournis aux exploitations minières d'Asie centrale. Le surcoût lié au passage des joints NBR standard aux joints PU est d'environ 2,50 USD par rouleau, et celui de la graisse synthétique au sulfonate de calcium par rapport à la graisse au lithium standard est d'environ 0,80 USD par remplissage de roulement. D'après notre expérience, cette amélioration combinée des joints et de la graisse permet de réduire le taux de défaillance des roulements sur les convoyeurs fonctionnant en hiver, le faisant passer de 12-15 % par an à 2-4 % par an. Nous la considérons comme une spécification essentielle pour toute application de rouleaux forgés dans les mines subarctiques.

Réglages de suivi des bandes transporteuses pour les structures métalliques soumises à des travaux d'hiver sur des châssis à rouleaux forgés

Lors de nos observations sur le terrain dans les mines kazakhes, les variations de température hivernales entraînent une contraction mesurable des structures métalliques de la bande transporteuse et de son châssis, ce qui affecte le guidage de la bande sur le système de rouleaux. Nos mesures, effectuées dans une mine du centre du Kazakhstan, ont révélé que le châssis en acier du convoyeur – d'une longueur d'environ 800 mètres – se contracte d'environ 8 à 10 mm par 100 mètres entre les températures de fonctionnement estivales et hivernales (soit un différentiel de température d'environ 50 °C). Cette contraction modifie la tension de la bande et l'alignement des supports de rouleaux, nécessitant des ajustements de guidage au début de chaque saison hivernale. Nous recommandons aux exploitants miniers de prévoir une inspection et un ajustement du guidage de la bande transporteuse dans les deux premières semaines de fonctionnement prolongé en dessous de zéro chaque hiver, et de maintenir un jeu de 15 à 20 mm entre le bord de la bande et la structure du châssis afin de compenser la contraction due au froid.

Dans le cadre de notre programme d'essais sur le terrain mené en Asie centrale, les données confirment que les rouleaux forgés aux spécifications hivernales renforcées (dureté de surface accrue, profondeur de cémentation plus importante, joints en polyuréthane et graisse synthétique au sulfonate de calcium) offrent une durée de vie nettement supérieure en conditions de fonctionnement à des températures négatives. Nous recommandons aux exploitations minières du Kazakhstan, de Mongolie et d'Ouzbékistan d'opter pour ces rouleaux forgés optimisés pour l'hiver pour leurs convoyeurs fonctionnant à des températures inférieures à -15 °C. Un rapport complet de données de terrain accompagne chaque livraison de rouleaux aux spécifications hivernales afin de faciliter la planification de la maintenance et l'analyse du coût du cycle de vie.

Références et normes sectorielles connexes

1. ISO 16874 — Engins de terrassement
2. Technologie minière — Analyse de l'industrie

Foire aux questions