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Procédé pour équilibrer un écoulement d'acier liquide dans une
lingotière et système de coulée continue d'acier liquide
L'invention concerne une installation de coulée continue de métaux. Plus
particulièrement, l'invention concerne un procédé pour équilibrer un
écoulement d'acier
liquide dans une lingotière. Selon un autre de ses aspects, l'invention
concerne un
système de coulée continue d'acier liquide.
Une installation de coulée continue de métaux, par exemple, une installation
de
coulée continue d'acier, comprend généralement une lingotière dans laquelle on
verse
un métal liquide depuis un distributeur ou répartiteur en vue de sa
solidification sous
une forme adéquate. Il peut par exemple s'agir d'une lingotière sans fond,
auquel cas
le métal refroidit en formant une brame. Pour refroidir le métal liquide, des
parois de la
lingotière sont accolées ou adossées à des dispositifs de refroidissement, par
exemple
du type à liquide. La lingotière et les dispositifs de refroidissement sont
dimensionnés
en fonction de la vitesse d'écoulement du métal de sorte que la brame,
lorsqu'elle sort
de la lingotière, présente une surface externe solidifiée d'une épaisseur
suffisamment
importante pour piéger le métal encore liquide se trouvant au coeur de la
brame.
Le répartiteur est équipé d'une, voire plusieurs, busette sous le niveau
d'acier dans
la lingotière destinée à protéger le métal liquide lors de son écoulement vers
la
lingotière. Généralement, la busette est disposée symétriquement par rapport à
la
lingotière de manière à ce que l'écoulement soit le plus homogène possible
pendant
les opérations de coulée continue. En effet, un écoulement non équilibré dans
la
lingotière peut avoir des conséquences négatives sur la qualité de la brame,
telles que
des risques de percée, une hétérogénéité de l'acier coulé, une mauvaise
répartition de
la poudre lubrifiante, etc.
Néanmoins, certains incidents peuvent perturber l'équilibre de l'écoulement de
l'acier liquide depuis le répartiteur dans la lingotière. Par exemple, il peut
arriver qu'une
des ouïes de la busette soit érodée ou colmatée à l'alumine, que de l'acier se
solidifie
dans la busette, ou qu'un débris se loge dans la busette. Tous ces incidents
ont pour
effet de perturber la symétrie de l'écoulement et donc potentiellement de
nuire à la
qualité des brames produites, voire de détériorer l'installation de coulée
continue. A ce
jour, aucune solution n'existe pour détecter de telles situations et encore
moins d'y
remédier.
Un but de l'invention est de permettre la détection des incidents perturbant
l'écoulement de l'acier liquide et de rétablir la symétrie de l'écoulement.
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A cet effet, on prévoit selon l'invention un procédé pour équilibrer un
écoulement
d'acier liquide dans une lingotière, dans lequel l'acier est introduit dans la
lingotière
depuis un répartiteur au travers d'une busette de protection débouchant sous
le niveau
d'acier dans la lingotière, comprenant les étapes suivantes :
a) acquisition d'un ensemble de caractéristiques de l'écoulement dans la
lingotière,
b) comparaison des caractéristiques de l'écoulement acquises à l'étape
précédente
avec un modèle prédéfini et détermination des actions d'ajustement à prendre
pour
équilibrer l'écoulement, et
c) ajustement de l'écoulement.
Ainsi, il est possible de déterminer si l'écoulement est perturbé grâce à la
mesure de
caractéristiques de l'écoulement et à la comparaison de ces mesures avec un
modèle
prédéfini. On permet dès lors une évaluation pratiquement instantanée de la
qualité de
l'écoulement. Et dans le cas où une perturbation intervient, c'est-à-dire un
écart
suffisamment important entre les caractéristiques mesurées et le modèle, il
est
possible de réagir en ajustant l'écoulement de manière à atténuer les
perturbations. On
améliore de la sorte significativement la qualité des brames produites.
Avantageusement, les étapes a) à c) sont répétées en continu pendant les
opérations de coulée.
Le procédé peut ainsi être mis en oeuvre tout le long de la période de
fonctionnement de l'installation de coulée continue.
Avantageusement, les caractéristiques de l'écoulement sont obtenues par une
analyse des caractéristiques thermiques de l'acier dans la lingotière.
La température de lingotière étant aisément mesurable en un grand nombre de
positions, cela contribue à rendre le procédé facile à mettre en oeuvre.
Avantageusement, la lingotière est du type constituée par un assemblage de
plaques métalliques adossées à des dispositifs de refroidissement configurés
pour
permettre le refroidissement des plaques métalliques par la circulation d'un
fluide de
refroidissement, comprenant une fibre optique, comportant une pluralité de
filtres de
Bragg, s'étendant dans une paroi d'au moins une desdites plaques, la fibre
optique
s'étendant dans une direction non parallèle à l'axe de coulée de la
lingotière.
Avantageusement, le procédé comprend en outre les étapes suivantes :
- mesure de la température d'au moins une paroi de la lingotière au moyen
de la
fibre optique, et
- ajustement de l'écoulement.
La mesure de la température se fait ainsi grâce à la fibre optique, qui est
fiable et
facile à mettre en place dans la lingotière. En particulier, on peut utiliser
une lingotière
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telle que décrite dans la demande de brevet belge 2018/5193 ou dans la demande
de
brevet belge déposée simultanément à la présente demande.
Avantageusement, l'ajustement de l'écoulement est réalisé en opérant un
mouvement relatif entre la busette et la lingotière.
De préférence, le mouvement relatif entre la busette et la lingotière est
opéré
suivant une direction parallèle à l'axe longitudinal de la lingotière.
Avantageusement, la busette est solidaire du répartiteur et le mouvement
relatif
entre la busette et la lingotière est réalisé en déplaçant le répartiteur par
rapport à la
lingotière. Par exemple en opérant un léger mouvement du chariot porte-
répartiteur.
Suivant une variante de l'invention, le mouvement relatif entre la busette et
la
lingotière est opéré par décalage angulaire de la busette selon l'axe
longitudinal de la
lingotière. Il est également possible de combiner les deux mouvements
(linéaire et
angulaire).
En variante, dans le cas où le répartiteur est pourvu d'un dispositif de
remplacement
de busette de coulée ou de régulation du débit d'acier par étranglement au
moyen
d'une plaque déplacée perpendiculairement à la direction de l'écoulement, il
est
suffisant de déplacer un tel dispositif par rapport à la lingotière.
L'ajustement de l'écoulement est ainsi réalisé par une opération simple à
mettre en
oeuvre.
On prévoit également selon l'invention un système de coulée continue d'acier
liquide d'un répartiteur vers une lingotière de coulée continue, comprenant :
- un répartiteur,
- une lingotière du type constituée par un assemblage de plaques
métalliques
adossées à des dispositifs de refroidissement configurés pour permettre le
refroidissement des plaques métalliques par la circulation d'un fluide de
refroidissement, comprenant une fibre optique, comportant une pluralité de
filtres de
Bragg, s'étendant dans une paroi d'au moins une desdites plaques, la fibre
optique
s'étendant dans une direction non parallèle à l'axe de coulée de la
lingotière,
- une busette de protection dont l'extrémité inférieure débouche sous le
niveau
d'acier dans la lingotière pendant la coulée de l'acier, la busette étant
solidaire du
répartiteur,
- un émetteur-récepteur agencé pour envoyer de la lumière dans la fibre
optique et
recevoir de la lumière réfléchie et/ou transmise par la fibre optique,
- un processeur agencé pour :
a) transformer des données sur la lumière réfléchie et/ou transmise reçue par
l'émetteur-récepteur en une information sur l'écoulement dans la lingotière,
b) comparer cette information avec un modèle prédéfini,
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c) déterminer les actions d'ajustement à prendre pour équilibrer l'écoulement,
d) émettre un signal de commande,
- des moyens d'ajustement agencés pour recevoir le signal de commande et
pour
ajuster l'écoulement de l'acier dans la lingotière en fonction du signal de
commande.
Avantageusement, les moyens d'ajustement comprennent un chariot porte-
répartiteur.
Les moyens d'ajustement sont ainsi formés par des moyens simples.
On va maintenant présenter un mode de réalisation de l'invention donné à titre
d'exemple non limitatif et à l'appui des figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 est une vue d'ensemble d'une installation de coulée continue de
métaux
permettant la mise en oeuvre d'un procédé pour équilibrer un écoulement
d'acier
liquide dans une lingotière selon l'invention,
- les figures 2a et 2b sont des schémas illustrant le fonctionnement de
l'installation
de la figure 1,
- la figure 3 est une vue en coupe de la lingotière de l'installation de la
figure 1,
- la figure 4 est une vue en perspective d'une plaque de la lingotière de
la figure 3,
- la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une fibre optique
contenue dans la
paroi de la figure 4,
- la figure 6 est un schéma expliquant le fonctionnement de la fibre
optique de la
figure 5, et
- la figure 7 est une vue à plus grande échelle de l'installation de la
figure 1 illustrant
la mise en oeuvre du procédé pour équilibrer l'écoulement d'acier liquide dans
la
lingotière.
On a représenté en figure 1 une installation de coulée continue de métaux 2.
Elle a
une configuration classique, si bien que la plupart de ses éléments
constitutifs ne
seront présentés que brièvement.
L'installation 2 comprend des poches 4 contenant du métal liquide qu'on
souhaite
faire refroidir. Les poches 4 sont ici au nombre de deux et sont portées par
un bras
motorisé 6. Ce bras motorisé 6 est notamment apte à déplacer les poches 4 qui
sont
amenées pleine dans la zone de coulée par un système de transport (par exemple
un
pont roulant, non représenté) en provenance d'une zone de remplissage où le
métal
fondu peut y être versé, par exemple un four ou un convertisseur (non
représenté)
avant de les amener à la position illustrée en figure 1. Après vidange de la
poche 4, le
bras motorisé 6 permet également de positionner la poche vide dans une
position où le
système de transport peut la reprendre et l'amener en zone de préparation où
elle sera
reconditionnée avant de retourner en zone de remplissage.
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L'installation 2 comprend un répartiteur ou bassin répartiteur 8 situé en
dessous des
poches 4. Ces dernières présentent un fond ouvrable permettant de faire couler
le
métal liquide dans le répartiteur 8.
Le répartiteur 8 comprend un orifice d'écoulement qui peut être obturé par une
quenouille 10 qui permet de contrôler l'écoulement de métal liquide. L'orifice
d'écoulement du répartiteur se prolonge par une busette de protection 11
(également
appelée tube de coulée d'entrée immergée, SEN) permettant de protéger le métal
liquide déversé. La busette 11 est solidaire du répartiteur 8.
Comme cela est plus visible sur la figure 2a et à plus grande échelle sur la
figure 2b,
la busette 11 débouche dans une ouverture supérieure d'une lingotière 12. Il
s'agit ici
d'une lingotière sans fond présentant un axe de coulée qui est vertical. La
lingotière 12
sera décrite plus en détails plus loin.
L'installation 2 comprend des dispositifs de refroidissement 14 positionnés
sur une
surface externe de la lingotière 12. Il s'agit de dispositifs de
refroidissement du type à
liquide. Ils comprennent à cet effet des conduits dans lequel s'écoule un
fluide
réfrigérant, par exemple de l'eau. Le fluide réfrigérant absorbe la chaleur du
métal
liquide se trouvant dans la lingotière 12 afin de le faire refroidir et
solidifier. Ici, le métal
se solidifie sous la forme d'une brame présentant une surface externe
solidifiée 18
enclavant un noyau liquide 20.
L'installation 2 comprend un guide à rouleaux 16 se trouvant en aval de la
lingotière
12. Le guide 16 permet de guider la brame, dont une surface externe 18 est
solidifiée,
hors de la lingotière 12. Comme cela est visible sur la figure 2a, la brame se
solidifie
progressivement à mesure qu'elle se déplace dans le guide 16. En d'autres
termes,
plus on s'éloigne de la lingotière 12, plus la surface externe solidifiée 18
de la brame
augmente en volume et plus le noyau liquide 20 de la brame diminue en volume.
On a représenté la lingotière 12 plus en détails sur la figure 3. Elle
présente ici
quatre plaques 22 (la quatrième n'étant pas visible du fait de la position du
plan de
coupe). Les plaques 22 sont réalisées en cuivre ou en alliage de cuivre, qui
sont des
matériaux présentant une grande conductivité thermique et facilitent donc les
échanges de chaleur entre les dispositifs de refroidissement 14 et la
lingotière 12. Les
plaques 22 sont agencées de sorte que la lingotière 12 présente une section
droite
globalement rectangulaire ou carrée. On pourrait toutefois prévoir d'agencer
les
plaques de sorte que la lingotière présente une toute autre forme de section
droite ou
non. Par exemple, une section supérieure en forme d'entonnoir
conventionnellement
utilisée pour la coulée en brame mince.
Dans ce qui suit, pour des raisons de concision, l'invention sera décrite plus
en
détail sur base d'un arrangement de lingotière tel que décrit dans la demande
de
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brevet belge 2018/5193, à savoir avec une fibre optique logée dans un canal
formé
dans la paroi de la lingotière. Il doit toutefois être compris que selon un
autre mode de
réalisation de l'invention, la fibre optique peut-être logée dans une gorge
formée à la
surface de la lingotière et fermée par une languette, telle que décrit dans la
demande
de brevet belge déposée simultanément à la présente demande.
Une des plaques 22 de la lingotière 12 est représentée à plus grande échelle
sur la
figure 4, sur laquelle l'axe de coulée correspond à la direction verticale. La
plaque 22
comporte dans sa paroi au moins un canal 24 s'étendant dans une direction non
parallèle à l'axe de coulée de la lingotière 12. Plus précisément, le canal 24
présente
un angle avec l'axe de coulée compris entre 75 et 105 . Ici, le canal 24 est
perpendiculaire à l'axe de coulée. Les canaux 24 sont ici au nombre de quatre.
Un
capot de protection 26 est installé sur la zone de la plaque 22 où les canaux
24
débouchent pour les protéger.
Une fibre optique 28 est logée dans chacun des canaux 24. En référence aux
figures 5 et 6, chaque fibre optique 28 comprend une gaine optique 30 ainsi
qu'une
âme 32 entourée par la gaine optique 30. La fibre optique 28 comprend dans son
âme
32 plusieurs filtres de Bragg 34. La fibre optique 28 comporte au moins dix
filtres de
Bragg 10 par mètre, de préférence au moins vingt filtres de Bragg par mètre,
de
manière préférée au moins trente filtres de Bragg par mètre, et de manière
encore plus
préférée au moins quarante filtres de Bragg par mètre. A titre de variante de
réalisation, on pourrait prévoir que la lingotière ne contienne qu'une seule
fibre optique.
Dans ce qui suit, on considèrera que l'installation 2 ne comporte qu'une fibre
optique
pour faciliter sa description.
Le fonctionnement de la fibre optique 28 est illustré en figure 6. Les filtres
de Bragg
34 sont des filtres qui permettent de réfléchir la lumière sur une plage de
longueur
d'onde centrée sur une valeur prédéterminée, dite longueur d'onde réfléchie,
réglable
par le constructeur du filtre. Cette valeur prédéterminée est par ailleurs une
fonction
notamment de la température à laquelle se situe le filtre, de sorte qu'on peut
écrire
pour chaque filtre :
Aréfléchie = f ( Ao, T )
où Aréfiéchie est la longueur d'onde effectivement réfléchie par le filtre, f
est une
fonction connue, T est la température du filtre et A0 la longueur d'onde
réfléchie par le
filtre à une température prédéterminée, par exemple à température ambiante.
Ces deux propriétés permettent d'utiliser la fibre optique 28 en tant que
capteur de
température. Dans un premier temps, on installe dans la fibre optique 28 des
filtres de
Bragg 34 ayant des valeurs de longueur d'onde réfléchie A0 distinctes et
choisies, par
exemple décalée une à une de 5 nanomètres. On envoie ensuite un faisceau
lumineux
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présentant un spectre polychromatique 35a, par exemple de la lumière blanche,
dans
la fibre optique 28 puis on détermine les pics de longueurs d'onde
représentées dans
le spectre du faisceau réfléchi 35b. A chaque pic, on compare la valeur
mesurée
Aréfléchie et la valeur théorique de la longueur d'onde réfléchie à
température ambiante
Ao, et on calcule la température T du filtre en question grâce à la fonction
f. De manière
alternative, il est aussi possible d'effectuer ces étapes sur la base des
creux dans le
spectre du faisceau transmis 35c si la configuration du canal 24 dans lequel
est logée
la fibre optique 28 le permet.
Ainsi, l'installation de la fibre optique 28 dans une des plaques 22 de la
lingotière 12
permet de mesurer la température de cette plaque, notamment de sa paroi en
contact
avec le métal coulé, en des positions prédéterminées suivre son évolution dans
le
temps. Afin d'obtenir un nombre suffisant de points de mesure, il est préféré
de placer
au moins une fibre optique 28 dans deux plaques 22 en vis-à-vis, voire dans
chacune
des quatre plaques 22 de la lingotière 12.
Aux fins de l'équilibrage de l'écoulement de l'acier liquide dans la
lingotière 12,
l'installation 2 comprend en outre :
- un émetteur-récepteur agencé pour envoyer de la lumière dans la fibre
optique 28
et recevoir de la lumière réfléchie et/ou transmise par la fibre optique 28,
- un processeur agencé pour :
a) transformer des données sur la lumière réfléchie et/ou transmise reçue par
l'émetteur-récepteur en une information sur l'écoulement dans la lingotière;
b) comparer cette information avec un modèle prédéfini,
c) déterminer les actions d'ajustement à prendre pour équilibrer l'écoulement;
d) émettre un signal de commande vers un système d'ajustement, et
- un système d'ajustement agencé pour ajuster l'écoulement de l'acier dans la
lingotière 12 en fonction d'un signal de commande émis par le processeur.
Le fonctionnement de ces éléments va être décrit dans ce qui suit.
A tout moment lors de l'écoulement, on effectue des mesures d'un ensemble de
caractéristiques de l'écoulement dans la lingotière 12. En particulier,
l'émetteur-
récepteur envoie de la lumière dans la fibre optique 28 et on mesure la
température de
la paroi de la lingotière 12 grâce à la lumière réfléchie et/ou transmise par
la fibre
optique 28. Mais de manière plus générale, on analyse des caractéristiques
thermiques de l'acier présent dans la lingotière 12.
On compare ensuite, à l'aide du processeur, la mesure de ces caractéristiques
avec
un modèle prédéfini. Il peut par exemple s'agir de mesures de ces mêmes
caractéristiques préalablement réalisées dans des conditions normales
d'écoulement,
c'est-à-dire lorsque l'écoulement n'est pas perturbé.
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Si la mesure ne s'écarte pas du modèle d'une distance prédéterminée, on
interprète
la comparaison comme signifiant qu'aucune perturbation de l'écoulement n'a eu
lieu.
Aucune mesure d'ajustement de l'écoulement n'est donc à entreprendre. On
répète de
préférence en continu ces étapes de mesure et de comparaison tout au long de
l'écoulement.
Dans le cas contraire, on interprète la comparaison comme signifiant qu'au
moins
une perturbation a eu lieu et qu'il faut donc ajuster l'écoulement. En tenant
compte de
la comparaison, le processeur détermine des actions d'ajustement à prendre
pour
équilibrer l'écoulement puis émet un signal de commande vers des moyens
d'ajustement qui permettent la réalisation des actions d'ajustement.
Dans le cas où le processeur détecte une mesure qui s'écarte trop du modèle,
on
peut prévoir l'émission d'un signal d'alarme, voire même l'arrêt des
opérations de
coulée.
Les actions d'ajustement peuvent consister en le déplacement du répartiteur 8
suivant une direction parallèle à l'axe longitudinal de la lingotière 12 à
l'aide d'un
chariot porte-répartiteur 36 de l'installation 2. Etant donné que la busette
11 est
solidaire du répartiteur 8, ce déplacement permet un mouvement de la busette
11 par
rapport à la lingotière 12. Ce faisant, on rétablit une symétrie dans
l'écoulement du
métal liquide.
On réalise alors de nouveau les étapes de mesure et de comparaison pour
déterminer si le déplacement de la busette 11 a eu l'effet escompté. On peut
prévoir de
continuer ce déplacement tant que l'écart entre la mesure et le modèle reste
supérieur
à la distance prédéterminée. Une fois que cette distance devient inférieure à
la
distance prédéterminée, on désactive le chariot porte-répartiteur de sorte
qu'on arrête
le déplacement de la busette 11. Cependant, on continue d'effectuer les
opérations de
mesure et de comparaison afin de détecter un éventuel nouvel incident.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres
modes
de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier.
Nomenclature
2 : installation (de coulée continue de métaux)
4 : poche
6 : bras motorisé
8 : répartiteur
10 : quenouille
11 : busette de protection
12 : lingotière
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14 : dispositifs de refroidissement
16 : guide
18 : surface externe solidifiée
20 : noyau liquide
22 : plaque
24 : canal
26 : capot de protection
28 : fibre optique
30 : gaine optique
32 : âme
34 : filtre de Bragg
35a : spectre polychromatique
35b : spectre du faisceau réfléchi
36c : spectre du faisceau transmis
36 : chariot porte-répartiteur
