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Procédé de démarrage d'une opération de coulée continue
des métaux.
La présente invention concerne la coulée continue
des métaux, notamment de l'acier, et plus
particulièrement un procédé de démarrage de la coulée, à
partir de la situation où l'installation de coulée est
prête à recevoir le métal en fusion contenu dans un
récipient de transport tel qu'une poche d'aciérie.
Une telle installation comporte classiquement ui~
répartiteur équipé d'une busette de coulée et une
lingotière. Le répartiteur comporte également des moyens
d'obturation, appelés quenouille, pour obturer la busette
et régler le débit d'écoulement de métal en fusion
pendant la coulée.
Avant le début de la coulée, un mannequin est mis
en place dans l'installation, ce mannequin comporte une
tête de mannequin qui est insérée dans la lingotière pour
l'obturer temporairement au début de la coulée, et la
quenouille est placée en position de fermeture.
Pour démarrer la coulée, le métal de la poche est
déversé dans le répartiteur.
Puis on ouvre la quenouille pour que le métal
remplisse la lingotière en s'écoulant par la busette.
Lorsque le métal atteint un niveau prédéterminé en
lingotière, on entraîne le mannequin vers le bas, pour
commencer l'extraction du produit coulé, au moins
partiellement solidifié au contact des parois refroidies
de la lingotière.
Un problème qui se pose est de définir le moment où
l'on va commencer l'extraction, compte-tenu notamment du
niveau requis en lingotière et du temps nécessaire pour
que le produit soit suffisamment solidifié avant de
commencer l'extraction. Or, l'arrivée du métal au niveau
requis en lingotière dépend du débit de métal dans la
busette et donc notamment de la position d'ouverture de
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la quenouille.
Aussi, pour automatiser le démarrage, il est déjà
connu d'utiliser un détecteur de niveau pour détecter
l'arrivée du métal au niveau prescrit en lingotière, et
de piloter le démarrage de l'extraction par ce détecteur.
Par ailleurs, il est aussi connu d'utiliser un
détecteur de niveau placé sur la lingotière pour réguler
le débit ou la vitesse d'extraction en cours de coulée,
de manière à conserver un niveau de métal sensiblement
constant en lingotière pendant toute la coulée.
Mais ces détecteurs ne peuvent être placés qu'en
haut de la lingotière. De plus, il n'ont classiquement
qu'une distance de détection faible et sont positionnés
de manière à pouvoir mesurer les variations de niveau au
voisinage du niveau de consigne en cours de coulée. De ce
fait, ils ne détectent le métal en lingotière que lorsque
celui-ci approche du niveau de consigne. Ainsi, pendant
presque toute la durée du remplissage de la lingotière,
on ne peut contrôler le niveau de métal. Par ailleurs,
lorsque le détecteur peut enfin détecter la présence de
métal, et donc commander le démarrage de l'extraction,
celle-ci met un certain temps avant de se mettre en
régime, et le niveau de métal risque de dépasser
largement le niveau de consigne. Ceci peut être en
partie évité en commandant simultanément la fermeture de
la quenouille pour réduire le débit d'alimentation. Mais
le temps de réaction de la quenouille, dont le
positionnement est assuré par un vérin, ne peut être
réduit suffisamment pour éviter totalement le problème
précité. De plus, l'inertie de l'écoulement de métal et
celle des moyens de commande de la quenouille entraîne
des fluctuations de niveau qui peuvent durer pendant un
certain temps avant que la régulation et donc le niveau
se stabilisent et que la coulée devienne régulière.
Un autre problème qui se pose est d'arriver à
déterminer l'instant du début effectif de la coulée,
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c'est-à-dire l'instant où le métal contenu dans le
répartiteur commence à s'écouler lorsque l'on commande
l'ouverture de la quenouille. Ce problème est également
lié à celui de pouvoir contrôler la montée du niveau dans
la lingotière, ce niveau n'étant pas détectable pendant
une grande partie du remplissage, comme on l'a vu
précédemment. Le seul moyen pour contrôler cette montée
de niveau est donc d'agir sur le débit de métal
s'écoulant du répartiteur, qui dépend de la position
exacte de la quenouille. Mais la détermination de la
position de la quenouille est effectuée classiquement par
un dispositif de mesure situé sur les moyens de commande
de la quenouille et non sur la quenouille elle-même. Il
s'ensuit que l'indication donnée par ces moyens de mesure
n'est pas exactement représentative de la position de la
quenouille elle-même, ceci étant dû notamment aux jeux
inévitables des moyens de liaison mécanique de la
quenouille à ses moyens de commande. Il s'ensuit que non
seulement il existe un décalage dans le temps entre la
commande d'ouverture de la quenouille et le début de
l'ouverture réelle, et donc le début d'écoulement du
métal, mais aussi, par la suite, l'indication de position
de la quenouille n'est pas le reflet exact de sa position
effective, laquelle détermine le débit de métal. Or, ce
n'est que par la connaissance de l'instant précis du
début de coulée, et du débit, que l'on peut déterminer
précisément le niveau dans la lingotière au cours du
remplissage.
Ce problème est particulièrement gênant dans le cas
de la coulée continue entre cylindres, car la
détermination de l'instant exact du début de l'extraction
est primordiale dans cette technique. Il est donc
nécessaire de connaître précisément l'instant exact du
début d'écoulement et le débit de remplissage, d'autant
plus que dans cette technique, le temps de remplissage
entre le début de l'écoulement et le début de
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l'extraction est très court.
L'invention a pour but de résoudre les différents
problèmes précités, et en particulier de permettre la
détermination précise de l'instant du début de coulée
effective, et du débit de coulée pendant la phase de
remplissage de la lingotière.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet
un procédé de démarrage d'une opération de coulée
continue de métal, dans une installation de coulée
comprenant un répartiteur qui comporte un orifice de
vidange obturable par une quenouille venant en appui sur
un siège de quenouille, des moyens de liaison mécanique
entre la quenouille et un vérin de commande du
déplacement de la quenouille, et une lingotière recevant
le métal s'écoulant par le dit orifice.
Selon l'invention, ce procédé est caractérisé en ce
que, avant le démarrage de la coulée:
a) la quenouille est posée sur son siège sous le
seul effet de son propre poids, le vérin de commande
étant inactif et dans une position d'initialisation
définie par la position de la quenouille,
b) on détermine la dite position d'initialisation
du vérin de commande,
c) on actionne le vérin de commande dans le sens de
la fermeture pour pousser la quenouille sur son siège,
d) on remplit le répartiteur avec le métal liquide,
e) on actionne le vérin de commande pour l'amener
dans une position de surfermeture contrôlée définie par
une distance prédéterminée de la position du vérin de
commande par rapport à la position d'initialisation,
et, pour démarrer la coulée :
f) on actionne le vérin de commande dans le sens de
l'ouverture selon une loi prédéfinie imposée de
déplacement du vérin de commande en fonction du temps,
l'instant de début de coulée étant déterminé à partir de
cette loi, en calculant avec cette loi le temps mis pour
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que le vérin de commande passe de la position de
surfermeture à la position d'initialisation,
g) et on continue à actionner le vérin de commande
dans le sens de l'ouverture, pour laisser le métal
5 s'écouler dans la lingotière.
Comme on le comprendra mieux par la suite, le
procédé selon l'invention permet de déterminer
précisément le moment où le métal en fusion va pouvoir
commencer à s'écouler entre la quenouille et son siège.
Ce moment se situe donc juste lorsque la quenouille
quitte son siège.
Théoriquement, il suffirait de maintenir la
quenouille précisément dans cette position, et de
commencer à la déplacer vers le haut pour l'écarter de
son siège, l'instant précis du début du déplacement
définissant l'instant de début de coulée.
Pratiquement, ceci est impossible. En effet, ne
serait-ce qu'à cause des jeux inévitables existant dans
les moyens de liaison mécanique entre quenouille et vérin
de commande, et par la poussée exercée sur la quenouille
par le métal liquide contenu dans le répartiteur, il est
clair que, même si le vérin de commande est maintenu en
position fixe, dans la dite position d'initialisation où
la quenouille est juste posée sur son siège, la position
exacte de la quenouille va varier lors du remplissage du
répartiteur par le métal en fusion, suite notamment au
rattrapage des jeux mécaniques, ou aux phénomènes de
dilatation.
Il s'ensuivrait que l'étanchéité de la quenouille
sur son siège serait rompue, et des écoulements de métal
en fusion pourraient se produire de manière inopinée
avant même que le répartiteur ne soit rempli.
Pour éviter cela, classiquement selon la technique
antérieure, l'opérateur actionne le vérin de commande de
déplacement de la quenouille, avant le début du
remplissage du répartiteur, de manière à appuyer
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fortement la quenouille sur son siège. Dès lors, il est
pratiquement impossible pour l'opérateur de savoir
exactement quand la quenouille va se retrouver en
position limite d'étanchéité sur son siège, lorsqu'il va
actionner le vérin de commande dans l'autre sens,
puisqu'il n'y a pas une correspondance exacte entre la
position du vérin de commande et la position de la
quenouille.
Le principe de l'invention est en fait de rétablir
artificiellement cette correspondance, en partant de
l'idée que, s'il n'y a pas correspondance exacte des
positions respectives de la quenouille et du vérin de
commande lorsque ce dernier est actionné dans un sens
puis dans l'autre, on rétablit cependant cette
correspondance si l'on ne considère que le déplacement
dans un sens, à savoir celui de l'ouverture.
Pour cela, selon l'invention, on définit donc une
position du vérin de commande, précisément mesurable et
donc reproductible, appelée position de surfermeture
contrôlée, ainsi qu'une loi de déplacement du vérin de
commande dans le sens de l'ouverture, c'est-à-dire
correspondant à un déplacement de la quenouille vers le
haut.
La position de surfermeture contrôlée est définie
par une distance préétablie considérée à partir de la
position du vérin de commande lorsqu'il provoque juste le
décollement de la quenouille par rapport à son siège,
c'est-à-dire la position d'initialisation.
On notera que cette position d'initialisation du
vérin de commande n'est pas définie par l'opérateur ni
par une quelconque action sur le dit vérin, mais qu'elle
résulte uniquement des forces de gravité s'exerçant sur
l'installation et en particulier sur la quenouille. C'est
donc uniquement le contact de la quenouille sur son
siège, sous l'effet de son poids, qui définit la position
d'initialisation du vérin de commande. On notera donc
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que, lors de la détermination de la position
d'initialisation, c'est la quenouille qui fixe la
position du vérin de commande, alors que lors de la
coulée, c'est bien évidement le vérin de commande qui
fixe la position de la quenouille.
La loi de commande du déplacement du vérin en
fonction du temps est définie expérimentalement, en
fonction des caractéristiques de l'installation de coulée
et du process, de manière à établir une relation bien
définie entre déplacement du vérin de commande et
déplacement de la quenouille, dès que, se déplaçant vers
le haut, la quenouille quitte le contact avec son siège.
Par contre, avant cet instant, il n'y a pas une telle
relation bien définie, mais seulement une définition de
la position du vérin de commande en fonction du temps,
sans que la position réelle de la quenouille soit reliée
à celle du vérin.
Cette loi va donc permettre, au début de l'étape
f), d'assurer un déplacement du vérin, sans qu'il y ait
déplacement proportionnel de la quenouille, ce
déplacement du vérin correspondant en quelque sorte à un
relâchement des contraintes générées par l'effort d'appui
de la quenouille sur son siège.
Puis, dès lors que ces contraintes sont supprimées,
c'est-à-dire à partir de l'instant où il y a rupture du
contact entre la quenouille et son siège, le déplacement
du vérin conduit à un déplacement de la quenouille, et
donc à l'écoulement du métal contenu dans le répartiteur,
le débit du métal en fusion étant alors réglé en agissant
sur le vérin, et dépendant de la position du dit vérin.
L'explication qui précède est destinée à exposer le
principe de l'invention, et est de ce fait assez
théorique. Dans la pratique, il est évident que le début
réel de l'écoulement ne correspond pas exactement à
l'instant auquel le contact entre la quenouille et son
siège est rompu, en particulier parce que la géométrie
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des surfaces en contact n'est pas idéale et qu'entrent en
jeu les caractéristiques physiques du métal en fusion
(fluidité, tension de surface, ... etc). C'est pourquoi la
loi de déplacement du vérin est déterminée
expérimentalement, un des buts visés par l'invention
étant essentiellement de pouvoir assurer une
reproductibilité des conditions de début de coulée d'une
coulée à l'autre.
Selon une disposition particulière de l'invention,
lors de l'étape c), on pousse la quenouille sur son siège
jusqu'à ce que l'effort de poussée exercé par les moyens
de commande atteigne une valeur prédéterminée.
Alternativement, on pousse la quenouille sur son
siège jusqu'à ce que les moyens de commande atteignent
une position prédéterminée.
Quel que soit le cas, la poussée exercée sur la
quenouille avant l'introduction du métal en fusion dans
le répartiteur devra être suffisante pour garantir une
étanchéité parfaite de la quenouille sur son siège, sans
risque que cette étanchéité soit perturbée lors du
remplissage du répartiteur. Par contre, cette position de
surfermeture sera située au-delà, dans le sens de la
fermeture, de la position de surfermeture contrôlée.
Selon une autre disposition complémentaire, lors du
démarrage de la coulée et après le passage des moyens de
commande dans la position d'initialisation, on poursuit
l'ouverture automatique de la quenouille selon une loi
d'ouverture imposée, jusqu'à une position dite de
remplissage. Cette position de remplissage est maintenue
pendant le remplissage de la lingotière. Cette
disposition permet en fait d'assurer un remplissage de la
lingotière sous un débit contrôlé, de sorte que la montée
du métal liquide dans la lingotière s'effectue le plus
calmement possible et que la régulation de niveau,
classiquement connue, puisse entrer en jeu sans créer
d'à-coups lorsque le niveau de métal en lingotière arrive
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à proximité du niveau nominal. On évite ainsi notamment
tout risque de débordement du métal hors de lingotière.
On assure ainsi également une transition douce entre la
phase de démarrage, c'est-à-dire jusqu'à ce que le niveau
en lingotière soit sensiblement au niveau nominal, et le
début de l'extraction.
Selon encore une autre disposition préférentielle,
avant que le niveau de métal en lingotière atteigne un
niveau nominal de coulée prédéterminée, on met en service
une régulation de niveau qui assure la régulation de
niveau dès que le niveau de métal arrive à proximité du
niveau nominal. La régulation de niveau, bien connue dans
les installations de coulée continue, est donc mise en
service bien avant que le niveau de métal puisse être
détectée par le capteur, classiquement utilisé dans les
systèmes de régulation. La régulation est cependant
saturée de manière à éviter qu'elle ne tende à provoquer
une ouverture supplémentaire de la quenouille (ce qui
serait normalement le cas puisque le niveau de métal est
alors largement en-dessous du niveau normal) . Par contre,
les circuits de régulation étant déjà en service avant
que le capteur ne détecte le métal coulé en lingotière,
la régulation intervient sans retard dès que le niveau de
métal est détecté. Il en résulte que la réaction,
provoquée par la dite régulation lorsque le métal coulé
arrive à proximité du niveau nominal, est moins vive et
ne génère pas de déplacement brusque de la quenouille ou
de variation brusque de la vitesse d'extraction.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront
de la description qui va être faite d'un procédé de
démarrage d'une coulée continue d'acier conforme à
l'invention.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est une vue schématique d'une
installation de coulée continue d'acier en lingotière,
- la figure 2 est un graphique montrant la position
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mesurée du vérin de commande de la quenouille en fonction
du temps.
L'installation de coulée continue, représentée à la
figure 1, en cours de coulée, comprend un répartiteur 1
5 contenant l'acier 2 en fusion, pourvu d'un orifice de
vidange 3 équipé d'une busette 4. L'orifice de vidange 3
peut être obturé par une quenouille 5 venant en appui sur
son siège 6. Les déplacements de la quenouille sont
effectués par un vérin de commande 7, relié à la
10 quenouille 5 par des moyens de liaison mécanique tel
qu'un levier 8 articulé pivotant dans un palier 9.
L'installation comporte par ailleurs, de manière
connue en soi, une lingotière 20 dont les parois sont
énergiquement refroidies pour refroidir et solidifier le
métal en fusion déversé dans la lingotière par la busette
4. En régime normal de coulée, le métal au moins
partiellement solidifié sous forme par exemple d'une
brame 21, est extrait de la lingotière vers le bas, au
moyens de rouleaux d'extraction 22 entraînés en rotation
par des moteurs non représentés.
Le vérin de commande 7 est équipé d'un capteur de
position 10, qui permet de mesurer en permanence la
position exacte de la tige du vérin. L'installation
comporte par ailleurs un système de régulation 11,
schématiquement représenté sur le dessin, et auquel est
également relié un détecteur de niveau 12 permettant de
détecter et mesurer le niveau 23 du métal dans la
lingotière.
Le système de régulation il est également relié à
une électrovanne 13, ou moyen de pilotage équivalent,
pour commander les déplacements du vérin 7, ainsi qu'aux
moteurs des rouleaux d'extraction 22 pour régler leur
vitesse.
Tous ces moyens sont classiquement connus dans les
installations de coulée existantes.
On notera toutefois que par vérin de commande, on
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doit comprendre bien évidement non seulement un vérin
classique comportant une tige mobile en translation dans
un corps de vérin, tel que le vérin 7 représenté figure
1, mais également tout autre actionneur pouvant assurer
la même fonction de déplacement de la quenouille.
Le graphique de la figure 2 montre à titre
d'exemple du procédé selon l'invention, les variations de
la position d du vérin 7 en fonction du temps t, depuis
un instant situé avant le processus de démarrage, jusqu'à
l'arrivée en régime normal de coulée.
Le tracé 31 correspond à la position
d'initialisation "O" du vérin de commande, c'est-à-dire
la position mesurée de la tige du vérin lorsque la
quenouille 5 repose sous l'effet de son propre poids sur
son siège 6. Le vérin n'est alors soumis à aucune
pression par l'électrovanne 13, la position de la tige
étant alors uniquement déterminée par la position de la
quenouille 5. Dans l'exemple représenté, on comprendra
aisément que le poids de la quenouille et celui de la
tige de vérin exercent sur le levier 8 des efforts
dirigés vers le bas, et que, en conséquence, les jeux
inévitables au niveau de toutes les articulations sont
situés vers le haut pour les articulations 51 et 61 de la
quenouille et de la tige de vérin sur le levier, ainsi
que pour l'articulation de pivot 9 du levier sur
l'installation.
Partant de cette position, le vérin est alors
commandé de manière que sa tige se déplace d'une valeur
di, propre à compenser les divers jeux indiqués ci-dessus
et à presser fortement la quenouille sur son siège. Cette
position est conservée pendant toute la durée du
remplissage du répartiteur en métal, comme représenté par
le tracé 32. Au lieu de définir à ce stade une position
de vérin dl, on pourra définir également un effort ou une
pression d'alimentation du vérin, comme cela a déjà été
indiqué.
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Lorsque le répartiteur est rempli, le vérin est
alors commandé pour déplacer sa tige jusque dans la
position dite de surfermeture contrôlée (tracé 33 de la
figure 2). Cette position est définie par une distance d2
par rapport à la position d'initialisation. Cette
distance peut être par exemple un pourcentage
prédéterminé, par exemple 3%, de la course totale du
vérin. Cette distance sera dans la pratique déterminée
expérimentalement de manière à ne pas être trop
importante, mais cependant suffisante pour que la
quenouille reste bien pressée sur son siège et que aucun
jeu n'apparaisse au niveau des diverses articulations.
Cette position va être par la suite considérée
comme point de départ de la commande du vérin sous la loi
d'ouverture imposée déjà évoquée.
Cette loi est représentée sur la figure 2 par le
tracé 34. Telle que représentée, cette loi, fixant le
déplacement de la tige de vérin en fonction du temps, est
linéaire. Ceci n'est toutefois pas obligatoire, la courbe
représentative de la dite loi pouvant quelque peut
s'écarter d'une droite, en fonction de la cinématique
propre des moyens de liaison entre le vérin et la
quenouille, et également des conditions de débit de
remplissage de la lingotière, comme on le verra par la
suite.
Connaissant donc la loi de déplacement du vérin, la
distance d2, et l'instant t0 auquel le déplacement du
vérin est commandé conformément à cette loi, l'instant
précis de démarrage tl sera déterminé par calcul comme
étant l'instant t0+ At, At étant le temps mis pour que la
tige de vérin se déplace de la distance d2. A ce moment,
le déplacement du vérin aura libéré la pression exercée
par la quenouille sur son siège lors de la phase de
surfermeture contrôlée, et aura aussi rattrapé tous les
jeux des articulations, dans le sens inverse de ce qui
s'était produit lors de la mise en pression du vérin
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avant le remplissage du répartiteur. L'ensemble du vérin,
du levier, et de la quenouille se retrouve alors
sensiblement dans la même situation que lors de
l'initialisation puisque les efforts exercés sont
pratiquement les même que ceux exercés lors de
l'initialisation, la seule différence étant que c'est
alors le vérin qui tire la quenouille vers le haut, alors
que lors de l'initialisation, c'était la quenouille qui
retenait le vérin.
A partir du temps ti, l'orifice d'écoulement
s'ouvre donc progressivement, la progression de
l'ouverture étant contrôlée par le déplacement du vérin,
lequel déplacement continue à s'effectuer sous le
contrôle de la loi imposée, jusqu'à un point défini par
une distance d3, cette distance d3 étant déterminée de
manière à correspondre à une ouverture donnée de la
quenouille. Elle peut être différente de l'ouverture
maximale prévue pour le régime normal de coulée, qui
interviendra seulement après le démarrage de
l'extraction. A partir de l'instant tl, le métal contenu
dans le répartiteur commence donc à s'écouler dans la
lingotière sous un débit déterminé par l'ouverture de la
quenouille, c'est-à-dire progressivement croissant
jusqu'à ce que le vérin atteigne la position d3, puis se
stabilisant à une valeur imposée pendant la poursuite du
remplissage de la lingotière (tracé 35).
Pendant la durée du remplissage de la lingotière,
alors que l'extraction n'a pas encore débuté, le débit de
métal peut donc être différent du débit nominal sous
lequel le métal s'écoulera du répartiteur dans la
lingotière après le démarrage des rouleaux d'extraction.
Ce n'est que lorsque le niveau de métal en lingotière
arrive à proximité du détecteur de niveau 12 que la
régulation de niveau, de type connu en soi, prend le
relais pour commander le vérin 7, ainsi qu'éventuellement
la vitesse des rouleaux extracteurs 22, pour adapter le
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débit à la vitesse d'extraction, de manière à conserver
un niveau sensiblement constant de métal en lingotière,
comme cela est bien connu.
L'invention n'est pas limitée au procédé de
démarrage qui vient d'être décrit uniquement à titre
d'exemple. En particulier, le procédé selon l'invention
pourra avantageusement être mis en oeuvre dans des
installations de coulée continue entre cylindres.
Également, au lieu d'utiliser le capteur 10
directement placé sur le vérin et mesurant la position de
sa tige, les mesures de position pourront être effectuées
par tout autre moyen de mesure apte à déterminer
précisément la position des moyens de commande de la
quenouille.
