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Procédé de pilotage d'une opération d'écrouissage en continu d'une
bande métallique.
L'invention concerne un procédé de pilotage d'une opération
d'écrouissage et de réduction en continu d'une bande métallique dans une
installation d'écrouissage, comportant au moins deux cages successives de
laminage.
On entend par opération d'écrouissage et de réduction notamment une
opération dénommée skin-pass en langue anglaise ou une opération de
laminage de deuxième réduction (appelée DR ) ; pour ce type d'opération,
on utilise généralement des installations comportant au moins deux cages
successives dont une seulement, dénommée cage de réduction, réalise
l'essentiel de la réduction d'épaisseur de la bande ; dans le cas d'une
installation à deux cages, la cage de réduction est la cage amont ou première
cage, et dans la cas d'une installation à trois cages, la cage de réduction
est la
deuxième cage, celle du milieu de l'installation.
Une cage de laminage ou d'écrouissage de ce type d'installation
comporte deux cylindres de travail tournant en sens contraires dans l'entrefer
desquels une bande métallique peut être réduite et/ou écrouie ; en fonction de
la force de serrage de ces cylindres, l'épaisseur de la bande métallique est
réduite et sa longueur, au contraire, augmentée.
Pour une bande métallique donnée, le taux d'allongement obtenu est
fonction de la force de serrage de la cage ; dans le cas d'un skin-pass ,
le
taux d'allongement est faible, alors que dans le cas d'une opération DR ,
il
peut atteindre 60% environ.
Dans ces installations, la vitesse de rotation des cylindres de deux cages
successives (dénommée vitesse de cage en style abrégé) doit être
contrôlée avec précision de manière à maintenir entre ces cages un niveau de
tension de bande suffisamment élevé pour éviter l'apparition de plis mais
aussi
suffisamment faible pour éviter tout risque de rupture de la bande.
Entre deux cages successives, le différentiel de vitesse de cage dépend
donc du taux d'allongement de la bande.
Pour le pilotage de ces installations, on mesure donc généralement d'une
part le taux d'allongement de la bande au passage dans l'installation et
d'autre
part la tension de la bande entre les cages, et, en fonction des valeurs
mesurées, on agit sur les actionneurs suivants : la force de serrage de chaque
cage et la vitesse des cylindres de chaque cage.
Pour mesurer le taux d'allongement de la bande dans une cage, on
procède généralement par mesure de la vitesse de bande sortante et de la
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vitesse de bande rentrante, le taux d'allongement se déduisant de la
différence
entre ces mesures de vitesse ; un tel procédé est décrit dans le brevet
britannique 794 290 où les mesures de vitesse sont effectuées à l'aide de
moyens tachymétriques montés sur des rouleaux support de bande en amont
et en aval de l'installation.
L'invention concerne un procédé pour régler ces actionneurs en fonction
de ces mesures.
Dans le cas d'une installation ne comportant que deux cages, l'article de
Yuli Shimoyama et al., intitulé Kawaski continuous annealing line at
Chiba - IRON & STEEL ENGINEER, Vol.69, n 11, 1992, p.35-41 - décrit
trois procédés de régulation à la page 37, colonne de gauche qui sont
illustrés à la figure 4 de ce document :
- régulation selon le mode 1 : le taux d'allongement est régulé par la
traction intercage.
- régulation selon le mode 2 (les références concernent la fig. 1 ci-après)
- régulation d'allongement par le rapport entre la vitesse du bloc en
S 1' en amont et celle de la première cage 2 en aval ;
- régulation (système ATL à bande morte) de la traction entre le
bloc en S 1' et la première cage 2 en fonction du même rapport
de vitesse et du serrage de la première cage 2.
- régulation selon le mode 3 identique à celle du mode 2, où l'on remplace
les mesures de taux d'allongement par des mesures d'épaisseur ( THG ).
Le mode 2 est schématisé au synoptique de la figure 1, où 1', 2 et 3
désignent respectivement le bloc en S , la première cage et la deuxième
cage ; 4A et 4B le dispositif de mesure de taux d'allongement.
Dans le cas d'une installation comportant trois cages, l'article de
C.SILVY-LELIGOIS intitulé Régulation d'allongement en double réduction
à Sollac Basse-Indre - REVUE de MÉTALLURGIE, Vol.89, n 12, 1992,
p.1 101-1109 - décrit une autre stratégie de régulation :
- régulation des tractions intercages par la vitesse,
- régulation d'allongement par le serrage de la cage 2 et par la traction
entre les cages 2 et 3.
Cette stratégie est schématisée ci-après à la figure 2 qui reproduit la
figure 3 de l'article cité ; sur cette figure, 1, 2 et 3 désignent
respectivement la
première, deuxième et troisième cage et 4A, 4B le dispositif de mesure de taux
d'allongement.
Enfin, la figure 3 ci-après représente l'état de la technique dans le cas
d'une installation ne comportant que deux cages 2 et 3:
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- régulation de la traction intercage par la vitesse,
- régulation d'allongement par le serrage et, optionnellement, la traction
intercage.
Un tel synoptique de régulation est également décrit dans le document FR
2 584 631 (MITSUBISHI).
Ainsi, comme illustré sur les figures 1 à 3, pour piloter ce type
d'installations d'écrouissage, on procède selon une double régulation :
A - régulation des vitesses de deux cages successives en fonction de la
valeur de tension de la bande entre ces cages, adaptée pour éviter la rupture
de bande ou l'apparition de plis.
B - régulation de la force de serrage de la cage de réduction en fonction
de la différence entre le taux d'allongement de bande apporté par cette cage
et
une consigne prédéterminée de taux d'allongement.
La fonction de transfert de la régulation B est complexe car la loi de
comportement liant la force et l'allongement n'est pas du tout linéaire; cette
loi
de comportement est semblable à la loi de comportement classique liant la
traction et l'allongement, tel qu'illustré à la figure 4.
Selon cette loi, au fur et à mesure que l'allongement croît à partir de zéro,
la traction commence par croître très fortement, puis décroît légèrement de
manière irrégulière, avant de reprendre une légère croissance et de se
stabiliser.
Comme les actions sur la force de serrage (actionneur de la régulation B)
ont une incidence sur la valeur de tension de la bande entre deux cages
(mesure de la régulation A), la boucle de régulation A va interagir dans la
boucle de régulation B.
Il importe donc que le temps de réponse de la régulation A soit
suffisamment rapide au regard de celui de la régulation B pour que les
modifications de la force de serrage ne risquent pas de provoquer des ruptures
de bande ou des plis entre deux cages successives.
Ainsi, dans ce type de procédé, la régulation B est du type à bande
morte .
Un tel procédé de pilotage d'installation d'écrouissage présente de
nombreux inconvénients au niveau de la régulation du taux d'allongement de
bande (régulation B), parmi lesquels :
- un temps de réponse trop long, car il doit rester supérieur à celui de la
régulation A ;
- une précision insuffisante, notamment à cause de la bande morte et de
la complexité (non linéarité) de la fonction de transfert.
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L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de pilotage d'une opération
d'écrouissage et de réduction d'épaisseur en continu d'une bande métallique B
dans lequel :
- on fait passer la dite bande dans l'entrefer des cylindres de travail d'au
moins deux cages de laminage successives, une cage amont assurant
l'essentiel de ladite réduction d'épaisseur et une cage aval,
et dans lequel, afin de régler en continu la vitesse de rotation et la force
de serrage des cylindres de la cage de réduction d'épaisseur,
- on mesure le taux d'allongement de la bande apporté par cette cage,
- on mesure la tension de la bande en aval de cette cage,
caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à:
- régler la vitesse des cylindres de cette cage par rapport à celle des
cylindres de la cage aval en fonction de la mesure du taux d'allongement,
- régler la force de serrage de cette cage en fonction de la mesure de
tension en aval,
le temps de réponse pour le réglage de la force de serrage étant choisi
très supérieur au temps de réponse pour le réglage de la vitesse.
De préférence, on règle la force de serrage de cette cage de manière à
maintenir ladite tension mesurée dans une fourchette prédéterminée de
valeurs, la modification éventuelle de la force de serrage n'intervenant que
lorsque ladite tension de bande sort de ladite fourchette ; ce type de réglage
est classiquement dénommé régulation de type bande morte .
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va
suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux figures
annexées sur lesquelles :
- les figures 1 à 3 sont des synoptiques de régulation de l'art antérieur,
- la figure 4 représente une loi de comportement typique de variation de la
traction (N/mm2) de la bande en fonction de son allongement (%) dans une
cage de réduction et/ou d'écrouissage,
- la figure 5 représente une vue schématique en perspective d'une
installation de réduction et/ou d'écrouissage à deux cages qui peut être
pilotée
par le procédé selon l'invention,
- les figures 6 et 7 sont des synoptiques de régulation selon l'invention,
- les figures 8 et 9 illustrent les performances de régulation d'installation
d'écrouissage, exprimées en stabilité de la valeur d'allongement (%) en
fonction du temps (secondes), dans le cas d'une régulation selon l'art
antérieur
(figure 8) et d'une régulation selon l'invention (figure 9).
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Sue les figures 1 à 3, 5 à 7, par convention, le défilement de la bande
s'effectue de la gauche vers la droite (voir flèche de la figure 5).
En se référant à la figure 5, l'installation d'écrouissage de bande
métallique en continu comporte, dans le sens de défilement de la bande B, une
5 dérouleuse 7, un bloc en S d'entrée 1', une première cage 2 puis une
deuxième
cage 3, un bloc en S de sortie 5 et une enrouleuse 6.
La dérouleuse 7 et l'enrouleuse 6 sont d'un type classique et ne seront
pas décrites en détail.
Les blocs en S 1', 5, composés de deux rouleaux de support de
bande, servent d'une manière classique à faire varier la tension de la bande
B;
l'un des rouleaux de chaque bloc est doté de moyens tachymétriques non
représentés 4A, 4B adaptés pour mesurer avec précision la vitesse de passage
de la bande B dans ces blocs 1', 5.
Chaque cage 2, 3 comporte deux cylindres de travail supportés chacun
par un cylindre d'appui ; des moyens non représentés permettent de faire
varier la force de serrage des cylindres de travail l'un vers l'autre ;
d'autres
moyens non représentés permettent de faire varier la vitesse de rotation de
cylindres de travail de chaque cage.
Enfin, l'installation d'écrouissage comporte également des moyens (non
représentés) pour mesurer la tension de la bande entre les cages 2 et 3.
On va maintenant décrire le fonctionnement de l'installation d'écrouissage
selon l'invention.
Pendant le défilement de la bande B dans l'installation (dans le sens de la
flèche apposée sur la bande B entre les cages 2 et 3 - cf. figure 5), au
niveau
de la dernière cage, c'est à dire de la cage 3, on ne projette aucun
lubrifiant sur
la bande B dans l'entrefer de cette cage de manière à n'obtenir aucun
allongement ou un allongement très réduit de la bande B à ce niveau ; la force
de serrage de cette cage 3 est adaptée pour régler, d'une manière connue en
elle-même, la planéité de la bande B en sortie de cage ; l'allongement très
réduit peut être de l'ordre de 0,1 à 0,5 % et reste suffisamment stable pour
ne
pas perturber la régulation.
Pendant le défilement de la bande B dans l'installation, selon l'invention,
on procède alors selon la double régulation suivante :
A' - régulation des vitesses des cages successives amont 2 et aval 3 en
fonction de la différence entre le taux d'allongement de bande apporté par la
cage amont 2 et une consigne prédéterminée de taux d'allongement.
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B' - régulation de la force de serrage de la cage amont 2 en fonction de la
différence entre ladite tension mesurée entre la cage amont 2 et la cage aval
3
et une consigne prédéterminée de tension.
La figure 6 représente alors le synoptique de régulation correspondant :
- régulation de la traction intercage par le serrage de la cage amont 2,
- régulation d'allongement par la vitesse.
Pour la régulation A', la mesure de taux d'allongement de la cage amont 2
découle classiquement des mesures tachymétriques pratiquées en 4A, 4B au
niveau du bloc en S d'entrée 1' et de sortie 5, après déduction du taux
d'allongement réduit de la cage 3.
La régulation B' est de préférence du type à bande morte , c'est à dire
que l'on n'agit sur la force de serrage que si la tension de la bande sort
d'une
plage prédéterminée de valeurs (le maximum correspondant par exemple à un
risque de rupture, le minimum par exemple à un risque d'apparition de plis).
Selon l'invention, le gain de la régulation B' doit être adapté pour que le
temps de réponse de cette régulation soit largement supérieur au temps de
réponse la régulation A.
En variante, l'opération de régulation B' peut même être réalisée
manuellement par l'opérateur de l'installation.
Cette nouvelle configuration de la régulation de l'installation
d'écrouissage apporte les avantages suivants :
- une très grande précision du taux d'allongement de la bande : pour des
taux d'allongement correspondant à une opération de skin-pass et
généralement compris entre 0,4% et 4%, on atteint une précision de 0,05 %.
- une très grande robustesse de régulation, car la fonction de transfert
de la régulation A' est linéaire puisque ce sont des mesures de vitesse de
bande qui agissent sur un actionneur de vitesse.
- une très grande régularité dans la précision et un temps de réponse très
court, ce qui permet de diminuer sensiblement le chutage de bande ;
l'actionneur de vitesse étant beaucoup plus rapide que l'actionneur de
serrage,
pour la régulation A', on atteint un temps de réponse de 200 ms.
Ces avantages permettent de limiter le chutage de bande en production.
Dans le cas d'une installation de laminage et/ou d'écrouissage
comportant trois cages successives 1, 2 et 3, et où la cage 2 est la cage de
réduction, on peut mettre en oeuvre l'invention de la manière suivante :
- la première cage 1 joue le rôle du bloc en S 1' de l'installation
précédemment décrite , sa vitesse servant à régler la traction devant la
deuxième cage 2 (voir figure 7) ; cette première cage ne réalise quasiment
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aucun allongement comme la dernière cage 3 de l'exemple précédent ; cette
première cage a donc une fonction de pinceur de bande.
- les deux autres cages fonctionnent comme les cages 2 et 3 de l'exemple
précédent.
La stratégie de régulation selon l'invention est illustrée dans ce cas à la
figure 7 :
- régulation de la première traction intercage par la vitesse, comme dans
l'art antérieur (figure 2),
- régulation de la deuxième traction intercage, en aval de la cage 2, par le
serrage de la cage 2, qui est la cage qui applique la réduction d'épaisseur
principale,
- régulation d'allongement par la vitesse relative des cages 2 et 3.
L'exemple suivant illustre les avantages apportés par l'invention.
Exemple :
Cet exemple a pour but de comparer les performances de la régulation
selon l'invention par rapport à celles d'une régulation classique de l'art
antérieur dans le cas d'une opération de laminage de bande d'acier effectué
après recuit (appelé double réduction ).
Pour évaluer les performances, on mesure le taux d'allongement de la
bande (%) en fonction du temps (secondes) face à une perturbation volontaire
provoquée sur la cage de réduction, et on évalue les fluctuations de ce taux
d'allongement ; les performances de la régulation sont d'autant meilleures que
ces fluctuations sont faibles ou que le taux d'allongement est stable.
La figure 8 illustre ces fluctuations dans le cas classique où les tractions
sont régulées par la vitesse et où l'allongement (ou épaisseur) de bande est
régulé soit directement par le serrage de la cage de réduction soit
indirectement par la traction intercage avec recentrage par le serrage de la
cage de réduction ; on constate des fluctuations importantes de l'allongement
:
3 % autour de la valeur moyenne de 37,5 %.
La figure 9 illustre, face à la même perturbation, ces fluctuations dans le
cas où, selon l'invention, la traction intercage est régulée par le serrage de
la
cage de réduction et où l'allongement est régulé directement par la vitesse de
la dernière cage ; on constate que l'allongement reste quasiment constant, les
fluctuations étant réduites d'un facteur d'au moins 5 par rapport au cas
précédent.
