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PROCEDE ET APPAF2r Tr~r A~r~ POUR LA COULEE AUTOMATIQUE
DE DEMI-~uL~ullS
1- ) DOMAINE TECHNIQUE DE L ' INVENTION.
L'invention, ob~et de la présente demande de brevet concerne
la coulée continue ou semi-contlnue verticale de demi-produits
10 métalliques.
Le principe de la coulée contlnue verticale est bien connu: Ll
consiste à couler le métal liquide à 1 ' intérieur d ' un moule
constitué par la partie dé~ solidifiée du métal coulé. Un
15 appareillage de coulée continue est constitué sous sa forme la
plus simple ( figure 1 ):
-d ' un moule de coulée ou lingotière ( 1 ) de forme cylindrique
ou prismatique droit selon la forme de la sectlon du produit
20 coulé: billette ou plaque. Cette lingotiere a un axe de
qymétrie vertical et est ouverte a ses extremités supérieure
et inférieure;
-d'un faux-fond (2) obturant l'extrêmité inférieure au
25 démarrage et constituant ainsi le fond d ' un moule dont la
lingotière constitue les parois:
-d ' un systeme de refr~ L de la lingotière, réalis~
par exemple par une lame d ' eau ( 3 ) frappant la partie
30 supérieure externe de la lin~otière et r~1~ qRel ~nt le long de
ses ~énératrices, puis le long du produit coulé;
-d'un plateau (4) ~u~puLL&I-L le faux-fond muni de moyens non
représentés permettant sa descente a vitesse reglable et
35 régulière,
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-d'un chenal (5) d'Al ~ t~tion en métal liquide, munl d'une
ou plusieurs busettes ( 6 ) par où 8 ' écoule le métal dans la
lingotière;
5 -d ' un flotteur ( 7 ) ayant pour fonctions d ' une part de
répartir le métal dans toute la section du produit et d ' autre
part de réguler la hauteur du métal dans la lingotière, la
pastille du flotteur évent~pll~ - ~ munie d'un pointeau (8)
venant obstruer part~Pl 1~ l. la busette quand le nLveau a
10 tPn~lAnce a monter.
Au démarrage, le plateau est en posltion haute et le faux-fond
est engagé légerement a 1 ' intérleur de la llngotière avec un
~ eu tel que le métal liquide ne puisse 8 ' y écouler La
15 llngotière est refroidie par la lame d'eau. On verse le métal
llqulde par le chenal ( 5 ) et la busette ( 6 ) dans le moule
formé par la lingotiere et le faux-fond. La solidification
nP ~ partir de8 paroig de la lingotlere refroidie et du
faux-fond. Lorsque une cro~te suffisamment solide est ainsi
20 formée, on ~ rlP la descente du plateau support des faux-
fonds et l'on poursuit la coulée, la limite des phases solide
et liquide appelée front de so~ f~nrttion ayant en coupe la
forme approximative représentée sur la f igure 1 en ( 9 ) .
25 Il est ensuite possible:
-soit de poursuivre la coulée et de 1 ' arrêter lorsque la
longueur souhaitée de produit coulé est atteinte: c'est la
coulée semi-continue, la seule appliquée aux alliages
d'aluminium (appelée nPrr~n- ~nt le plus souvent "coulée
30 continue" )
-soit de poursuivre la coulée ~usqu'à vidange complète du
four en sectionnant le produit coulé en longueurs successives
souhaitées, apres 1 ' avoir event~Pl 1-~ t cintré pour le rendre
horizontal: c'est la coulée continue au sens strict, appliquée
3 5 a 1 ' acier .
;
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Pour des ralsons de productivlté, 11 est usuel, tout au moins
dans la coulée de prodults en aluminlum de couler plusieurs
prodults à la fols: plusleurs lingotlères sont disposees sur
un chantier, plusieurs faux-fonds sur un plateau support et le
5 chemal est munl de plusieurs busettes.
Le démarrage manuel d ' une coulée sur un tel chantier à
Pro~ tg multlpleg L~. ~8~ plusleurs inconvénients à la
fois quant ~ la qualité des prodults et a la securite de
10 l ' opérateur. Les lingotières ne se ~ , l i qqPnt pas à la même
vitesse; or comme la descente des faux-fonds ne peut commencer
que lorsqu ' un même niveau de métal requis est atteint dans
toutes les llngotleres, l 'opérateur est amené a intervenir
~qnllP11~ --t pour retarder le L~ q~-qA3e des lingotieres les
15 plus "en avance" de façon a les amener toutes en meme temps au
niveau de démarrage. On conçoit que cette méthode qui
nécessite une grande dextérité de la part de l ' op~rateur ne
permet pas d'assurer une bonne Le~ .du-;l,lbilité des conditions
de démarrage et est la source de défauts aux pieds des
20 produits coulés pouvant entrainer le rebut du produit tout
entier. En outre, elle expose l ' opérateur, a proximité directe
du chantier, aux projections de metal liquide, aux réactions
explosives métal-eau plus iréquentes dans les conditions
transitoires du démarrage.
2- )PE~OBLEME POSE.
Le probleme que 8 ' est posé la ~ ~lPresse est
l ' automatisation complete de la coulee semi-
30 continue, p~ t d'écarter l'opérateur de la proximité
directe du chantier, cet opérateur n'intervenant que pour
indiquer les parametres de la coulée: nature de
l'alllage, forme, Al ~ n et nombre de prodults coules
s1multqnr ~ et pour déclencher la coulee par un ordre donn~
35 au systeme d ' automatisme. Ce syst~me pilotant la coulée
comportera donc une ba8e de données renfermant les conditions
;
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de coulée en fonctlon des alllages et de8 formats et leur
évolutlon éventuelle au cours du temps.
3 ) I~ESCRIPTION DE L'ART ANTERIEUR.
Le brevet GB 1449846 (CONCAST) publlé le 15/9/1976 décrit un
procédé de régulatlon de débit de métal dans une lnstallation
de coulée contlnue qul conslste à:
10 -mesurer le nlveau de métal dans le moule,
-fournir un sl~nal représentant ce niveau,
-ç~énérer un slgnal de référence représentatlf du niveau de
métal déslré,
- _~ er le signal représentant le nlveau avec le signal de
15 référence,
-générer un signal de sortie pour agir soit sur le débit de
métal, soit sur la vitesse de descente du produit coulé
L ' ~n~ n~ ~t de ce brevet ne permet pas de résoudre deux
20 problemes: celui de la régulatlon de la coulée continue a
plusleur8 ~5co~ --ts et celul des condltlons transitolres de
I~ ,11 ~s~5Je des llngotlères au démarrage.
Les brevets des Etats-Unls 4498521 et 4567935 (KAISER ALUMINUM
25 & CHEMICAL ) décrlvent resE~ectlvement un procédé et un
dispositif de coulée automatique. Le procédé résoud les deux
probleme8 indiqués ci-dessus puisqu ' 11 8 ' agit d ' un procédé de
régulatlon du niveau de métal dans une coulée continue
verticale a plugleurg ~r,r,~ pendant le démarrage
30 permettant d'amener les nlveaux de métal dans les dlfférentes
lingotières dans un mame plan horizontal avant la descente du
plateau .
Ce procédé ne rend r~rF nr1~nt pas completement automatique
35 l'f~nl le de l'opératlon de coulée puisqu'il ne prend pas en
charge le basculement du four. En outre, ainsi que cela sera
expliqué plus loin, le8 lois de niveau des lingotières
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indiv~ fl~ 11 ec sont sensiblement parallèles, c ' est-à-dire
qu ' elles re~oignent la loi commune des niveaux en des points
différents. Dans la présente invention, chague lingotière
individuelle a sa propre loi de lcM~l~La~age de la loi commune,
5 plus ou moins pentue selon le retard de niveau de la
lingotière conc1 d~rée et adaptée de telle sorte que la loi
commune des niveaux soit re~ointe au même instant.
Le lbrevet des Etats-Unis 4660586 (ALUMINUM COMPANY OF AMERICA)
lO revendique un procédé de régulation d ' un niveau de métal
liquide coulé dans un récipient . Ce procédé comprenant les
étapes suivantes:
-détection du niveau de métal liquide,
15 -comparaison du niveau détecté avec un niveau de référence
pour déterminer l ' écart,
-variation du débit de métal llquide à l ' aide d ' un moteur
pas-a-pas, les pas du mouvement dudit moteur étant la somme
d'un terme L,lu~ lonnel à l'écart, d'un terme proportionnel à
20 la dérivée de l ' écart et d ' un terme proportlonnel à la dérivée
seconde de l 'écart~
L'~ncf~1~n- nt de ce brevet est tout-~-fait général: il peut
8 ' appliquer ~ la régulation de niveau d ' un liquide quelconque
dans un récipient quelconque et en part~ cl~ à la régulation
25 du niveau de métal dans une lingotière. Mais il ne permet pas
non plus la prise en charge automatique de toutes les phases
successives intervenant dans le fl' l~g~: et la poursuite
d ' une operation de coulée continue.
30 4~ )EXPOSE DE L' INVENTION,
L'invention ~on~rnf~ un procédé et un dispositif permettant
l ' automatisation complète des phases successives intervenant
dans le démarrage et la poursuite d ' une opération de coulée
35 continue à plusieurs 5~o--1~ ~~ts de plaques ou de billettes en
alliage métallique et en particulier d ' alliage d ' aluminium .
-
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Deux principes de base ont présidé à la conception de
l ' i~vention:
-imposer des sequences de l , l 1 qs~ge les plus
5 simultanées posslble de toutes les lingotières afin que cette
phase se déroule dans les memes conditions pour tous les
~5cn~ ts et que le démarrage de la descente du plateau ait
lieu à un niveau de métal liquide voisin, prédétermine et
reproductible dans toutes les lingotieres;
-éviter c~r~nfl~nt d ' avoir à fermer complètement
1IA1~ Lation en métal liquide dans une lingotiere, cette
f~l Lule complète provoquant des replis froids sur les pieds
des produits, sources de crlques.
Le procédé est caractérisé en ce qu ' il ,- - Le une phase
préalable et cinq phases pr~nf ip~ R s~1rneqQ1ves~ L'opérateur
rlenl ~nnh~ la première phase préalabll3, puis la première phase
principale. Les suivantes sl~nnhR{npnt automatiquement:
l ) Phase préalable de determination du point de fermeture et
de prépogit~nnn t de~ qll~nnll~ oR, sortes de pointeaux
servant au réglage du débit dans chaque lingotiere, dont la
description sera donnée plus loin.
2 ) Phase d ' ~ l ~ r tation en métal par le four de coulée .
3) Phase d'~l~r Lation forcée des lingotières.
30 4 ~ Phase de "rattrapage" indlviduel du niveau de métal dans
chaque lingotière au cour8 de laquelle on amène les
lingotières à un niveau imposé commun.
5 ) Phase de suivi d ' une loi de niveau commune a toutes les
35 lingotières.
6 ) Phase de descente du plateau avec suivi d ' une loi de
_
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7
niveau en fonctlon de la longueur coulée.
Chacune de ces phases comprend elle même un certaln nombre
d ' étapes 8uccessives décrites ci-après:
4.1 Phase prealahle de rl~5tC~ n~tion du point de ~ LULt: et
ae prépo8it i~ L de8 q~ n~..~ll~.
Cette phase est lsncée sur demande de l ' opérateur, avant le
10 début de la coulée.
I.e sy8teme réalise d ' abord une 8équence automatique de
recherche du point de ~- LuLe de chacune des quenouilles.
C'est un prealable indisrPn~;~hle à l'étape suivante, qui est
15 le préposltlfmr -t des quenouilles avant coulee et aux
étapes de coulée ~1U~L~ ~ 1, dites, où des posltlonnements a
des ouvertures bien ~éf~n~s seront ~7Al~ -- t ~n~
Dans le cas général,le prépoglt1~-nn- ~t des quenouilles se
20 fera à ouverture nulle. Dan8 une variante du procédé, décrite
plus loin avec davantage de détails, ce préposif10nn nt se
fait a une ouverture différente de zéro, et éventuellement
part~c--l ~re à chaaun des écoulements.
25 4.2 Phase d'Al i l,-,~.lon en metal pnr le four de coulee.
Cette pha8e est lancée sur demande de l ' opérateur, et sous
réserve que la phase 4.1 se soit favorablement oonclue. E:lle
est la premiere des pha8es de la coulée automatique a laquelle
30 les phase8 suivantes 5'~nt~.hiq~n~nt sans autre intervention de
1 ~ ~ p~L Cl l.~UI .
Au cours de cette phase, se déroulent les étapes suivantes:
a) le hf~ t du four d'alimentatLon en métal liquide
8' il est de type hp~c~ nt ou l 'uuv~l l ul~ de la quenouille
obturant le trou de coulée 8 ' il est fixe,
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b) le L. , 1 ~ ~sAg-~ du chenal Al ~ n~, les llngotieres.
Dans le cas général, les busettes disposees à la partie
inférieure du chenal au dessus de chaque lingotière &ont
5 fermees par les g~ nml1lles~ de sorte que le métal remplisse
le chenal sans 8 ' ecouler dans les lingotières .
Dans le cas par~c~l 1Pr où les busettes ne sont pas fermees
par les quenouilleY, un barrage est disposé juste en amont de
la busette qui est Al 1 ~tée en premier, toujours; pour que le
10 métal L~ Cf~ le chenal sans s'écouler dans les lingotières
Cette phase se termine quand le niveau de métal liquide dans
le chenal a atteint une valeur prédét~rm~ n~
15 4.3 Phase d'Al f Lcll,lon forcee.
Cette phase ,- re quand le niveau de métal liquide dans le
chenal a atteint une valeur prédét~rml n~e ou niveau seuil et
se termine, pour chaque lingotière quand le détecteur de
20 niveau dont il sera questiom plus loin détecte une certain
hauteur dh de métal sur le faux-fond. La fin de cette phase,
et donc sa durée varient avec les lingotières.
L ' obtention du niveau seuil dans le chenal ~l~5cl ~nrh~ les
25 etapes suivantes:
c) à cet instant To où le niveau seuil de métal
liquide dans le chenal est atteint, posi~lnnn nt des
qlll~nml~ 1 lPq alimentant leg lingotières à une valeur
30 dl~uv~:ll ule dite d'ouverture initiale et décl~nrh ,t de
l ' origine des temps d ' une loi de variation de niveau de métal
N en fonction du temps, qui prendra effet un peu plus tard, et
qui sera commune à toutes les lingotieres : N - f ( T ) .
35 Cette étape peut etre ~1 f~ par la variante sulvante: à
1 ' instant To où le niveau de métal liquide dan3 le chenal
atteint un-- valeur prédet~rm1 n~ , ouverture des quenouilles
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g
alimentant les lingotières à une position d ' ouverture assez
forte pour avoir un flux de métal élevé évitant les figeages,
~5cl~nrl~ -nt de l'orlgine des temps de la future loi de
variation de niveau de métal commune a toutes les
5 lingotières, puis re~ L~: partielle des quenouilles
jusqu'à la position dite d'ouverture initiale.
Dans le cas particulier où la phase précédente 8 ' est déroulée
q~nn~ ouverteg, et où le métal a été contenu par un
10 barrage, le déroulement de l'étape est le suivant: ouverture
du barrage situé juste en amont de la première busette et
~rl enrh - nt de 1 ' origine du temps To de la future loi de
variation du niveau de métal N = f ( T ) .
Dans ce cas par~lr~ r, la variante préc~dente peut ~gAl~ -t
15 être utilisée, Le prépositinnn t des q~ nn--l 11F~ s'effectue
alors en position de surouverture, et une refermeture
partlelle à la posltlon dlte d ' ouverture initiale intervient
peu après l ' ouverture du barrage,
d) maintien d'un niveau constant dans le chenal à l'aide
de moyens de detection de ce niveau et d ' un système de
régulation agissant sur le basculement ou l ' UUVt~l l.UJ ~ de la
q---~nn-llllr du four de maintien;
e ) lorsque l i un quelconque des détecteurs de niveau de
métal liquide installé au dessus de chaque lingotière détecte
une hauteur de métal déterminée au-dessus du faux-fond dh, la
phase d'alimentation forcé~ fait place à la phase de
rattrapage pour cette lingotière alors qu ' elle se poursuit
30 pour les autres où cette hauteur dh n ' a pas encore été
détectée;
f) si la hauteur dh n'est pas atteinte, dans chaque
lingotière, au bout d'une période de temporisation déterminée
35 ~ partir du temps To, ouverture de la quenouille par
in~L~ s~-rr-~R~1 f~ à partir de l l UUVtlL l,UL~ initiale
.
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4 . 4 ) Phasc de ~ ~ ~ L Ll ,--,y~," .
Cette phase est particulière à chaque lingotière: elle
~e à des moments différents, mais 8e termine au même
5 moment Tl et à un meme niveau Nl situés sur la courbe N =
f (T) .
Cette r~ ` phase { ~- Lc: les étape3 suivantes:
g)Lorsque la phase d'~ L~ILlon forcée a pris fin pour
une lingotlère, mise en route d ' une régulation de niveau dans
cette lingotière, selon une loi de niveau croissante en
fonction du temps pour amener ce niveau à une valeur Nl
dét-~rm1n~ à llavance, la régulation agissant sur la position
15 dQ la qllF-nnll1 1 le de la lingotière ~;uL~ J~ nte et cette loi
de niveau étant linéaire entre le point de détection et le
point Nl, Tl:
h) au fur et a mesure que la hauteur de métal dh est
20 détecté dans les autres lingotières, mise en route de la
régulation de niveau dans ces lingotières, selon une loi de
niveau croissante en fonction du temps propre à chaque
lingotière pour amener ce niveau a la même valeur Nl et au
meme temps Tl que ceux des autres lingotières, la régulation
25 agissant tou~ours sur la position de la quenouille
dl~l 1- LaLion des lingotières, cette loi de niveau étant
toujours llnéaire entre le point de détection et le point
Nl,Tl;
30 La phase de "lc-LLl~pnge" prend fin au temps Tl~ Il n'est pas
tenu compte, pour ce changement de phase , d ' un retard éventuel
d'une lingotlère, car ce retard pourra se combler dans la
phase sulvante~
3 5 4 . 5 ) Phase de 8UiVi d ' unc loi dc nivcau com~une .
Cette phase comporte une seule étape:
;
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. .
i ) à partlr du temps Tl, la régulation lmpose au niveau
de métal dans l'f~nr ' le des lingotieres la loi de niveau
commune N - f ( T ) . Cette loi peut pL~:8e~ L un changement de
5 pente en T2, N2 ou même plusieurs .
La trolslème phase 5e termlne en T3,N3 (ou en Tn~Nn
8 ' il y a ~1 Iql ellrs ~-hi~ - j ts de pente dans la loi des
niveaux) où ~ rf. la degcente du plateau support des faux-
10 fonds.
4 . 6 ) Phas~3 d~ ~l~..~ ~, . l - du plateau .
Cette phase comporte les étapes suivantes:
; ) apres controle des niveaux atteints et du temps
écoule, mise en route de la d~sce.~ du plateau supportant les
fawc-fonds au temps T3, le niveau théorique étant N3,
appllcation d ' une loi de vitesse de descente prédét~rmi n~ et
20 régulation du niveau N dans chacune des lingotieres selon la
loi N .' f ( L ), L étant la longueur de prodult coulé,
Une varlante dont le détall et 1 ' intéret seront expllqués plus
loln peut conslster à ~ . la descente du plateau des que,
25 à 1 ' intérleur d ' un petlt intervalle de temps avant T3, les
nlveaux se trouvent tous dans un petlt lntervalle autour de
N3 ~
k ) lorsque la longueur programmee de renvol du four
30 ( lnférleure à la longueur de prodult coulé pulsque le métal
contenu dans le chenal permet encore de couler une certaine
longueur) est attelnte, basculement arrlère du four ou
ff ~ I,u-c: de la qll~noll~ 11 e du four pour arreter l ' allmentatlon
en métal, poursuite de la coulée grâce au métal c~ntenu dans
35 le chenal Jusqu'~ une baisse détc~rm~n~ du niveau de métal
dans les llngotleres, relevage et 1n~ ni~1ctmn de la portion de
chenal 81tuée au-de88us des llngotières pour évacuer, par
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12
1 ' ouverture ainsi créée le métal restant encore dans le chenal
et arret de la descente du plateau.
5 Le choix du principe de régulation asservlssant le niveau de
métal dans la lingotière constitue SJ~l~ L un des moyens de
l ' invention. On sait qu ' il existe rl ~ el~rs principe3:
-régulation a action proport~nnn-~lle. Le ~l~rlA~ --t de la
10 q~ nn~ est alors simplement L,~ ol Llonnel ~ l l écart entre
le niveau de métal détecté et sa valeur de consigne;
-régulation a action proportionnelle et intégrale.Le
~rlA~ --L de la g~l~n~ll111e egt la gomme de deux termes: l'un
pLLpGL Llonnel ~ 1lécart entre le niveau de metal détecté et sa
15 valeur de t nn~i ~nF~ et le deuxième proportionnel a 1 ' intégrale
de l'écart en fonction du temps;
-régulation a action proportionnelle, dérivée et intégrsle.
Le l~rlA~ -t de la q~lc.nml~lle est la somme de trois termes:
le premier proportionnel ~ l'écart, le ~ r~` proportionnel
20 a la dérivée de 1 ' écart en fonction du temps, le troisieme
proportionnel à 1 ' intégrale de 1 ' écart en fonction du temps .
La ~3 n~l~resse a trouvé que le système le plus adéquat pour
1 ' application ronRi~l~rée est le deuxième, à action
25 proport~nnn~lle et integrale. Il est suf~! t rapide et
s~n~lhle et evite, en particulier, les "p~ Pq'l et les
instabilites .
Le dispositif corresprm~lAnt f , Le:
a) un moyen dlAl ~ Lation en métal li~auide à partir d'un
four de mâintien, par exemple un système de basculement ou de
quenouille,
b) un chenal Al 1-- l,al~t les lingotieres de coulee
35 continue à l'aide d'orifices calibrés munis de moyens
d ' obturAtion totale ou partielle,
c ) des moyen8 de maintlen d ' un niveau con8tant dans le
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chenal comprenant un systeme de détectlon de ce nlveau et un
système de régulatlon aglssant sur le basculement ou
1 ' ~UV~L LULI: de la quenouille du four de maintlen
d ) des moyens d ' obturatlon totale ou partlelle des
5 oriflces callbrés de chaque lingotière, comprenant chacun un
polnteau appelé qt-~nm--111~, et un ac~nnnf~--r de ce
polnteau,capable de chercher automatlquement le point de
f ermeture de l ' ori f lce,
e) des détecteurs de niveau de métal liqulde installés au0 dessus de chaque llngotlère,
f ) un système de régulation asservissant le niveau de
métal dans chaque lingotlère d ' abord a une lol de crml qcAnmP
dét~rm1nPF~ propre à cette lingotière puis à une loi de
cro~ ~R~nr!P commune à toutes les lingotlères, par ,- ~P de
15 l' actl~nnl~llr a~issant sur la section de l'orifice
d'Al~ tion de cette llngotlère,
g ) un système détectant qu ' un niveau déterminé N3 est
atteint dans l ' ensemble des llngotières et , -ndAnt la
descente du plateau supportant les faux-fonds obturant le fond
20 des llngotières au démarrage selon une loi de vitesse
prédét~rm~ n~e,
h) un systeme détectant que la longueur yIOyL 'e de
renvol du four est attelnte et , ~Ant l ' arrêt de
al,lon du chenal à partlr du four de coulée, l ' arrêt
25 de la descente du plateau, et le relevage et l'ln~-.llnA1~on de
la portlon de chenal située au-dessus des lingotières .
La description détaillée du procédé et du disposltif sera
mieux comprlse à l ' aide des f igures
La flgure 1 illustre, ainsi que nous l ' avons indiqué plus haut
le principe de la coulée continue de demi-produits telle
qu ' elle est pratiquée dans l ' art antérieur~
35 La figure 2 et sa variante 2 bis représentent le système de
regulation ~e niveau du métal utilisé dans l ' invention.
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` 14
La figure 3 ~ l'organigramme des étapes sl~r-~Qq~ves
d ' une opération de coulée continue selon 1 ' invention.
La figure 4 représente, en fonction du temps, et en trait
5 plein, un exemple de loi de niveau imposée dans les
lingotieres et les niveaux reels atteint3 dans les différentes
lingotières, au nombre de trcis dans l'exemple ccnsidéré.
Les figures 5, 6 et 7 l~L,lés~ t la position des niveaux de
10 métal au moment de la mise en route de la descente du plateau
par rapport au niveau de cnnq1~n~ et les trois variantes de
conditions a remplir pour tl~ nrhPr cette mise en route
La figure 8 représente une forme preférée de réalisation d ' un
lS capteur capacitif de niveau.
La figure 9 représente le schéma du pont de mesure utilisé
pour la mesure du niveau.
20 Sur la figure 2, on peut voir que le système de régulation du
niveau de métal comprend:
-un capteur de niveau ( 10 ) qui délivre un signal
proportionnel au niveau du métal dans la lingotiere,
25 -un régulateur ( 11 ) qui compare ce signal a une valeur de
~nnA1~nF- représentant le niveau souhaité,
-un act1 nnnl~ ( 12 ) qui peut déplacer verticalement la
q~l~?no~1lle (13) en fonction de l'écart détecté par le
régulateur,
30 -une quenouille ( 13 ) dont la partle inférieure, généralement
tronconlgue, obture plus ou moins, en fonction de sa position,
la section supérieure de la busette ( 14 ), agissant ainsi sur
la débit de métal liquide arrivant par le chenal ( 15 )
35 La quenouille (13?, au lieu d'obturer la sectlon supérieure de
la busette, peut, en variante , obturer sa section
inférieure. Une telle disposition e8t représentée sur la
;
_
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igure annexe 2bis.
Dans ce cas, il n'est pas possible d'effectuer le remplissa~e
du chenal avec les busettes fermées, car alors le métal f ige
entre busette et quenouille. La procédure utilisée est donc la
5 variante décrite plus haut:
Avant coulée:
-préposit1 onn - ~ des qu~nr~ l es ~ une ouverture
non nulle (position dite d'ouverture initiale, ou, le
cas échéant, de ~!IUlOUVeL L-lre)
-fermeture d'un barr?~ge situé juste en amont de la
premiere busette;
Rq~3e du chenal ~usqu'à un nlveau seuil:
OUVeL ~ule du barrage et 1 r- L de 1 ' origine des temps
de la loi de niveau commune;
Poursuite du L~ L 1 ~ qs~ge comme dans le cas ~énéral .
Sur l'organigramme de la figure 3, on a représenté, de façon
tradi~ nnPl le, les étapes s~lrrc~qq~ves du proced~ (hors phase
20 préalable ) par des rectangles et les étapes presentant une
alternative fonction de la réalisation ( 0 pour oui ) ou non ( N
pour non) d'une conditlon e~térieure par des losanges. Le
texte à 1 ' intérieur du rectangle indique 1 ' opérat$on
considérée; celui a 1 ' intérieur du losange formule la
25 condition extérieure,
~e premier losange ( 21 ) à la partie supérieure du diagramme
represente 1 ' ordre de basculement du four . Tant qu ' il n ' est
pas donne ( N ), le programme boucle sur lui-même .
30 S'il est donnb (0), on passe au stade suivant: R~qc~ nt du
four(22). Le métal liquide 8'écoule dans le chenal et,les
q~nr~ q dl~ c,tion des lingotlères étant fermées, le
niveau de métal monte dans ce chenal. Le détecteur de niveau
placé dans le chenal compare en p~rr~nF~nr.~ le niveau réel avec
35 un nivesu de r,onq1~nD(23), Si ce niveau n'est pas atteint (N),
le basculement du four se poursuit. Dès qu'il est atteLnt,
1 ' etape 8uivante se ~l~rl ~nrhf~: ( 24 )
. ~ 20698~2
16
Les qupnnll~lleq- d'alimentatlon des lingotières s'ouvreht
toutes à une posltion telle gue le flux de métal liquide solt
suffisant pour éviter les figeages intempestifs. A ce moment,
5 on ~3eml Pnl`hp 1 ' origine des temps de la loi de variation de
niveau de métal dans la lingotière, commune à toutes les
lingotières . Une telle loi est représentée sur la f igure 4 et
sera commentée plus loin. Puis, apres un temps très court
prédéterminé, les qll~nrll~llPR se referment toutes
10 part~Pl 1~ t à une ouverture initiale fixe~ Il est aussi
rosQ~hle, uinsi que cela a été indiqué plus haut, de passer
dlrectement à 1 ' ouverture initiale sans surouverture
préalable .
A partir de cette étape, les operations successives se
15 déroulent de façon ~n~lprpntl;~nte pour chaque lingotière. Le
diagramme ne represente la suite des etapes que pour une seule
lingotière mais il est le méme pour chacune des autres,
Le losange ( 25 ) représente la comparaison de la hauteur de
métal au dessus du faux-fond détectée dans la lingotière avec
20 une valeur de ~ AnQ~ ~nP dh préétablie, 3 mm par exemple . Si
cette hauteur dh n I est pas atteinte dans un laps de temps
~éterminé, ( 26 ), une loi d ' ouverture de la quenouille par
inuL~ en fonction du temps ( 27 ) est alors lancée de
façon a accélérer le L~ -11Q-q~3e des lingotières ~usqu'a la
25 valeur de mrmQl~nP, Si, dans l'une quelconque des lingotières,
malgré les inuL~ s~mmpqq~fs d'uuv~l~uL~ de la quenouille,
la hauteur de ~mnq~nP nlest pas atteinte au bout d'une
période détPrm1 nPP ( 28 ), c ' est qu ' il y a eu un incident: la
coulée est alors arrêtee t 29 ) .
30 Dans le cas normal ( 25, û ), le métal liquide a atteint la
hauteur dh de cr-nQ1SJnP~ mais pas au meme instant dans chaque
lingotière. Il 8 ' agit d ' amener toutes les lingotieres au meme
moment, a un même niveau corrPqp- n~liqnt à la loi des niveaux
en fonction du temps. A cet effet, le yLu~L calcule pour
35 chaque lin~3otière indLviduelle une loi part~ Pre de
rattrapage partant du point de détection et permettant aux
niveaux de métal dans chague lingotière de se raccorder sur la
;
2~6~8~2
` . --
17
loi des niveaux, au point A (Tl,Nl) de la figure 4, par
exemple ( rectangle 30 ) .
A partir de ce point A de la figure 4, la loi de nlveau en
fonction du temps est commune à toutes les lingotlères et est
5 représentée par cette même figure 4 (31).
En ( 32 ), les détecteurs de nlveau des lingotières comparent le
niveau de métal détecté avec un niveau de consigne N3
assigne pour la descente du plateau supportant les faux-fonds.
Si ce nlveau est atteint, la descente du plateau est ~ -n~PP
10 (33).
L'étape suivante consiste à comparer la longueur de prodult
coulé avec la longueur programmée ( 34 ) . Si cette longueur est
atteinte, la coulée est arrêtée (35). L'arrêt de la coulée
r.l end les opérations sl-rcPqqi ves suivantes non représentées
15 sur l'organigramme:
-bA~ t arrière du four ou fermeture de sa
qllPn~ 111 e de coulée pour arrêter l ' alimentation en metal
liquide,
-poursuite de la coulée avec le métal contenu dans le
20 chenal ~ usqu ' à une baisse déterminée du niveau de métal dans
les lingotières,
-relevage et ~n~ n~90n de la portlon de chenal sltuee
~u-dessus des lingotières et arr~t de la descente du plateau.
La figure 4 représente, en fonction du temps, le nlveau de
métal repéré par rapport à la lingotière, pour une
installation de coulée continue, comprenant, pour des raisons
de simplification troig P~rnll 1,~ a, b, c sP~ nt, Mais la
30 description s`applique de la même façon à une installation
comprenant un nombre plus élevé d ` écoulements .
Pour plus de clart~, nous avons Lep~ és~nl,~, ~ caté de 1 ' axe
vertical des niveaux, une demi-lingotière en coupe (40), les
faux-fonds en position initiale (41,a,b,c) des trols
35 linyotières et un nlveau de métal à un instant donné ( 42 ) ~ La
lol des niveaux imposée, qui dépend de 1 ' alliage et du format
e8t repré8entée par la ligne A,B,C,D en trait plein, La
2D69802
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hauteur dh est la hauteur m~n~ le détectée à l'étape (25)
de la f igure 2 . L ' on constate que cette hauteur dh est
atteinte successivement par le métal des lingotières c, a et
b. Le pll.JLlL - calcule alors trois lois de nlveaux linéalres
5 de pentes différentes (Ie~ e.~Lt:~:s par des tirets), selon le
"retard" des lingotières et la position du faux-fond au départ
et sur lesquelles la régulation individuelle de chacune des
lingotières va se caler, de telle sorte que les niveaux de
métal se Le~l-,Uv~l-t identiques au point A. Ensuite, de A à B,
10 puis de B à C, les régulations indiv~ de chacune des
llngotières imposent à l'f~n~ . des niveaux, avec les
fluctuations inhérentes à toute régulation, la loi commune
prevue Jusqu ' au niveau N3 qui , ~e la descente du
plateau. Les niveaux réellement observés sont représentés par
15 des lignes pointillées.
La descente est ainsi dérl ~nr.h~ par la réalisation simultanée
de deux conditions:
- T > T3
-pour toute lingotière n, Nn - N3.
Dans la pratique, et en raison des fluctuations inhérentes à
25 toute régulation, la 8~llX~I' condition peut conduire a
arrêter complètement 1 ' ~ I,a ~ion sur la lingotiere la plus
en avance pendant un temps relativement long. Cela est
contraire au .l~--xi ~' ~ principe évoqué. plus haut et peut
conduire à des d~f auts au pied du produit coulé,
Cette situation est schematisée sur la figure 5, représentant
dans un système d ' axes temps-niveau la loi des niveaux en
trait plein gras et en trait pointillé 1 ' évolution des
niveaux observés dans 1 ' ensemble des lingotières limité dans
35 cet exemple à trois: a, b et c, La lingotière a atteint le
niveau N3 au temps Ta~ la lingotière b au temps ~b et la
lingotière c au temps Tc. La descente du plateau ne c~ r.f~
2069802
19
donc qu ' au temps Tc . La iingotlère a reste non alimentée
pendant une durée assez longue Tc - Ta, la lingotière b un
peu moins. Cette attente est, de toute façon, pré~ 91r1f~,hle a
la qualité des prodults.
Aussi, a-t'on imaginé deux variantes schématisées
respectivement sur les f lgures 6 et 7 .
Ces deux figures sont identiques à la figure 5. Elles
10 représentent la même lol des niveaux et la même évolution des
niveaux observés dans les trois lingotières a ,b, c.
Sur la variante de la figure 6, au temps T3, seule la
lingotiere a a atteint le niveau N3 son alimentation est
15 coupée depuis le temps Ta. On compare alors les niveaux
atteints au temps T3 dans les deux autres lingotières avec
le niveau de ronR~ !Jn~ N3 . Si ces niveaux Nb et Nc sont
dans une fourchette a~ 1 RR~ hl ~ prédéterminée, symétrique ou
non autour de N3, alors la degcente egt fl~rl~nr.h~
20 Cette variante a l ' intêret de limiter de façon rnnR~ rable la
période pendant laquelle la lingotière a, la plus en avance,
cesse d ' être alimentée .
Les conditions pour le debut de la descente deviennent:
-T > T3
-pour toute lingotière n, Nn dans une fourchette
~l~miRR1hle autour de N3
30 Dans la variante de la f igure 7, la comparaison des niveaux
Nb et Nc avec N3 est faite non pas R~ t à partir
de l'instant T3 mais à partir d'un intervalle de temps
prédéterminé dT avant T3. Des lors que, a partir du temps T3
- dT,l'~n= '1~ des niveaux dans les trois lingotieres sont ~
35 l'intérieur de la fourchette de niveau définie, la descente
est rler.l ~nr.h~5~ .
Le8 conditions pour le débùt de la descente deviennent:
` 2~69802
` ~ 20
-T > T3 - dT
-pour toute lingotiere n, Nn dans une fourchette
5 Fl~qmlqq1hle autour de N3
Le fonc~f nnn~ ~ 1, de l ' invention qui vient d ' être décrlte
implique:
-de~ mesures de niveau précises et fiables,
-des moyens de posit~r~~ L précis de chacune des
ql~rnml~ R relativement a chacune des busettes.
15 Selon l'invention,on utilise de préférence:
- un capteur capacitif de niveau du métal,
-un ac~1nnnP--r intégrant un dispositif de détection du point
20 de reL ~UL~ de la busette.
Le principe du capteur capacitif est le suivant:
On réallse un rnn~nR~teur plan dont l'une des armatures est
25 un disque métalllque et l ' autre la surface supérieure du métal
liquide. On sait que la capacité d ' un cnn~f~nRateur plan C est
e~ale au produit de la surface de l ' aLlllal,UL~: par la constante
diélectrique du milieu séparant les armatures divisé par la
distance entre les armatures. La mesure de la capacité du
30 ~onrlr-nqateur est une mesure indirecte de la distance entre les
deux armatures et donc du n~veau du métal.
Pratiquement, on opère schématiquement de la facon suivante,
telle que représentée sur les figures 8 et 9.
La figure 8 représente le capteur lui-même, en place au dessus
de la surfE~ce supérieure du métal liquide dans une lingotière.
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La fi~ure 9 représente le schéma du pont de mesure de la
capscité du n~nrl~nqAteur ainsl constitué.
Sur la figure 8, le niveau de metal liquide, représenté par le
5 repere ( 50 ) constitue une d~s armatures du nnnfl~nRateur. La
~ ..Y1~ armature (51) fait partie du capteur IJlU~ nt dit.
Une troisieme aLlllaLult: (52), ~llqp~Rée à une distance fixe et
au-dessus de 1 ' armature ( 51 ), constitue, avec cette dernière
un deuxieme conA~nRateur dont la capacité servira de réference
10 dans le pont de mesure dont il sera question ci-après. A titre
d ' exemple, la distance e entre le niveau de métal liquide et
l'armature (51) est de 18 mm à l'équilibre de même gue la
distance entre les deux armatures ( 51 ) et ( 52 ) .
15 La capacité du nrnrl~nqateur Cx formé par les armatures (50)
et ( 51 ) est comparée en pPrr-n~nre a la capacité de reférence
Cr du r.nn~ nq~teur formé des armatures ( 51 ) et ( 52 ) a 1 ' aide
d ' un pont de mesure dont le schéma e3t représenté sur la
figure 9. Le pont comprend 4 branches reliées entre elles par
20 4 sommets (53), (54), (55), (56). Les branches (53)-(54) et
(54)-(55) sont alimentées en courant alternatif R~nllcoifl~l par
l'i.ll ''IA1re de deux LLGnsroL."ateurs identiques (57) et
( 58 ) dont les primaires sont reliés en série à une source de
courant haute fréquence (80 khz par exemple). Dans la branche
25 ( 55 ) - ( 56 ), on place le ~.f~n-l-~nRAteur Cx et dans la branche
(56)-(53), le nnn~pnq-Ateur de référence Cr. Le sommet (55)
corr~Rp-7nflAnt a 1 ' armature constituée par le métal liquide de
Cx est relie à la terre. Cela est ~ ' t réalisé par
t "11Alre du plateau mé~All~q~Je supportant le faux-fcnd
30 sur lequel repose le produit coulé. Les sommets opposés ( 54 )
et ( 56 ) sont reliés entre eux par l ' inL~ A1 re d ' un
transformateur ( 59 ) à un detecteur de courant ( 60 ) . Lorsgue la
distance entre les armatures ( 50 ) et ( 51 ) de Cx est égale à
une valeur de référence, de 18 mm par exemple, les capacités
35 de Cx et de Cr sont égales, le pont est équilibré et aucun
courant ne LL~vt:rse le détecteur (60). Lorsque cette distance
diminue ou A~ te, le pont est déséquilibré et le détecteur
-
` 2069802
22
est 1~ clvt:r~ par un courant. Un système électronigue envoie
alors un ordre à un Ijelv~ ur qui fait monter ou flr~r~nPnflre
le capteur de façon a le ramener a une distance du metal
liquide égale à la valeur de référence de 18 mm par exemple.
5 La recopie des fl~r~ ts s~lccr~R~1 f8 du capteur permet de
gén~rer ~ chaque instant un signal corr,r~pr nflAnt au niveau de
métal liquide dans la lingotière.
Un tel dispositif est placé au-dessus du métal liguide dans
lO chaque lingotière et permet de mesurer et de réguler le niveau
du métal.
L'act~nnnr~lr 8Q caractérlse essent~ nt par son dispositif
de détectlon du point de fermeture de la busette. Selon
15 l ' invention, l ' actionneur est, de préférence, constitué
pr1 nn1 ~A 1~ ~ ~, d ' un en~ ' ] ~ moto-réducteur électrigue avec
a8serVir- --t préci8 de la position de la tige. La tige est
creuse et ~ , OL ~ a 1 ' intérieur un axe capable de coulisser
de quelques mm. Cet axe est maintenu sorti par un dispositif
20 de type ressort. C'est a cet axe que l'on fixe la guenouille.
Lorsque 1A- tige se déplace dans le 3ens "sortie", si la
gll~nnll1 1 1 e rencontre un obgtacle sur sa tra~ectoire, le
ressort est enfoncé, 1'axe r~mllllr~,r. dans la tige et vient
25 actionner un fin de course.
Grace a ce dispositii de détection, on peut détr~rml nPr par une
procédure automatique le point de fermeture des busettes. Ce
point correspond a la position de sortie m1n~r~-le de la tige
30 permettant d'actionner le fin de course, corrigé de la course
parcourue par 1 ' axe pour enfoncer le ressort et actionner le
f in de course .
La position d'ouverture de la quenouille est ensuite
35 détr~rm~n~-~ a partir de ce point de référence.
5 ) EXEMPLE .
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23
Le dispositlf décrit c$-dessus a été monté sur un chantler de
coule,e continue destiné à la coulée simultanée de 5 plaques de
format 1360 mm par 610 mm en alliage d'aluminium 5052 (Norme
5 Al 1- Association). Les lingotières sont disposées
parallbles entre elles et tr~nsversalement par rapport à 1 ' axe
du chenal d ' ;~ Ldtion.
Leur hauteur est de 115 mm. ~a valeur de rnnq~nP pour dh est
de 3 mm au dessus du faux-fond à double courbure. La valeur de
10 rnn;~ gnD pour N3 est de 48 mm en-dessous du niveau
sup@rieur de la lingotière. La vitesse de descente est de 42
mm/minute. Ces paramètres ont été introduits dans le systeme
d ' automatismes .
Un premier ordre a lance 1 ' ~tape préalable de recherche de3
15 points de Permeture. Selon les ~5nolJl~ - - L~, ces points se sont
trouvés être situés entre 18 et 29 mm de la course des
act1 7nnpl~rs qui est de 100 mm ( O mm = tige completement
sortie ). A la fin de cette étape, les act~nnnDllrs ont place
les quenouilles à leur point de fermeture.
20 Un 1DI-~ ordre a lancé la coulée ~)LI_~pLI ' t dite. A la fin
de l'étape de L~ q:~e du chenal, l'ol~tontion du niveau
seuil a ~rlDnrhD l'ouv_lLul~ des q~Dno-J1lles 7 mm au-dessus
du point de rel Lult:.
La première lingotiere à arriver à la hauteur dh 1 ' a atteint
25 18 sernnde~ aprè8 l'ouverture des qllDnn~ les~ la dernière 25
sernn~lDR apres cette llUV~L Lult:.
Toutes les lingotières ont rallié le nlveau Nl au temps de
rrn~!Jn~ Tl ~ 40 8, en guivant des lois de consigne
part~ r,ll 1 1 DreS .
30 Le niveau N3 a été atteint par l l ~n 1 D des lingotières 85
RD,rr,n~1Dq aprèg l'~,uvl:lLult, des qllDnml~llDq, moment auquel le
plateau support des faux-~onds a c De sa descente.
