Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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PROCEDE ET DISPOSITIF DE REGULATION DU NIVEAU DE METAL
LIQUIDE DANS UNE LINGOTIERE DE COULEE C~..~1NU~ DES METAUX
L'invention concerne le domaine de la coulée continue
des métaux, notamment de l'acier. Plus précisément, elle
concerne la régulation du niveau du métal liquide présent
dans une lingotière de coulée continue.
Dans une installation de coulée continue de l'acier, le
métal liquide qui s'écoule de la poche de coulée transite
d'abord par un récipient intermédiaire, appelé répartiteur.
L'un des rôles du répartiteur est d'orienter le métal liquide
vers la lingotière oscillante unique ou, plus généralement,
les multiples lingotières oscillantes de la machine de coulée
continue, dans lesquelles débute la solidification des
produits sidérurgiques (brames, blooms ou billettes). Au-
dessus de chaque lingotiere, le métal s'écoule hors du
répartiteur par un orifice de sortie, et forme ainsi un jet
de coulée qui pénetre dans la lingotiere en traversant le
ménisque, c'est-a-dire la surface du métal liquide présent
dans la lingotiere. Sur son trajet entre le répartiteur et la
lingotiere, le jet de coulée est confiné dans un tube en
matériau réfractaire, appelé busette de coulée. L'extrémité
supérieure de la busette est fixée au fond du répartiteur,
alors que son extrémité inférieure traverse le ménisque et
plonge dans le métal liquide. La busette a pour fonctions de
protéger le jet de métal liquide contre son oxydation par
l'atmosphere, d'éviter que lors de sa traversée du ménisque,
le jet n'entra~ne avec lui une partie du laitier de
couverture qui recouvre le ménisque, ce qui détériorerait la
propreté du produit coulé, et enfin d'imposer aux écoulements
du métal liquide en lingotiere une configuration favorable a
une solidification satisfaisante du produit. A ce titre, son
extrémité inférieure peut comporter une multiplicité
d'orifices latéraux (ou ouïes), orientés chacun vers l'une ou
l'autre des faces de la lingotiere.
L'un des parametres essentiels dans l'obtention d'un
produit sain est la stabilité du niveau du ménisque dans la
lingotiere. Si cette stabilité n'est pas assurée de maniere
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satisfaisante, la solidification du produit s~effectue dans
des conditions excessivement variables. On peut ainsi se
retrouver avec une épaisseur solidifiée du produit localement
trop faible, d'où un risque de déchirures plus ou moins
importantes da la peau solidifiée. Au mieux, on se retrouve
alors avec un produit de médiocre qualité superficielle ; au
pire, du métal liquide peut s'écouler à travers les t
déchirures (phénomène appelé "percée"), et provoquer l'arret
de la coulée et de graves dommages à la machine. Le niveau
moyen du ménisque est conditionné par le débit d'acier
s'écoulant hors du répartiteur et par la vitesse à laquelle
le produit en cours de solidification est extrait de la
lingotière. C'est généralement avec une quenouille en
réfractaire, dont le nez conique obture plus ou moins
lS l'orifice de sortie du répartiteur, que l'on règle le débit
d'acier liquide pénétrant dans la lingotière. Même si on
désire maintenir ce débit a une valeur constante, il est
nécessaire de faire varier la position du nez de la
quenouille pour tenir compte des changements progressifs ou
instantanés des autres parametres de coulée. Ces changements
peuvent être, par exemple, une variation de la hauteur de
métal en répartiteur, l'usure progressive des ouïes de la
busette, ou leur bouchage par des inclusions non-métalliques,
ou leur débouchage soudain si ces inclusions viennent a se
décoller des parois. Pour obtenir une régulation
satisfaisante du niveau de métal liquide en lingotiere, il
est indispensable d'utiliser un systeme automatique qui
commande la position de la quenouille. Il la déplace en
fonction des résultats d'une comparaison entre le niveau du
ménisque désiré et celui réellement mesuré. Cette mesure du
niveau est obtenue habituellement a l'aide d'un capteur
optique ou inductif unique. Il fournit un signal électrique
qui, apres traitement, est utilisé pour commander la position
de la quenouille.
C'est dans le cas des coulées continues de brames que
le probleme de la régulation du niveau du ménisque est le
plus complexe. En effet, ces lingotieres sont longues et
étroites, et a un instant donné, les fluctuations du niveau
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du ménisque peuvent être tres inégales d'une region à l'autre
de la lingotière. Les indications donnees par un capteur
unique ne sont donc pas forcément représentatives des
fluctuations du niveau du ménisque. D'autre part, sur ces
S machines, l'extrémité inférieure de la busette comporte le
plus souvent deux ou~es diamétralement opposées qui orientent
chacune une fraction du jet de metal vers l'une des petites
faces de la lingotière. Or ces deux ouïes ne se bouchent ou
ne s'elargissent pas nécessairement de manière identique
pendant toute la coulée. Les écoulements dans la lingotière
peuvent donc évoluer de maniere dissymétrique, et les
ondulations qui affectent le ménisque ont alors des
configurations tres différentes de part et d'autre de la
busette a un instant donné. En particulier lorsqu'une des
lS ou~es se débouche brusquement, si ce débouchage a lieu du
côté de la busette o~ se trouve le capteur, celui-ci attribue
~ la perturbation correspondante une importance exagéree par
rapport a l'évolution réelle du niveau moyen du ménisque
qu'elle provoque. Inversement, si le débouchage a lieu du
côté opposé à celui où se trouve le capteur, celui-ci ne
détecte pas la perturbation a l'instant où elle se produit,
ou seulement d'une maniere tres atténuée. Dans les deux cas,
la quenouille ne peut être commandée de la maniere la plus
appropriée pour reagir a cet evénement.
On a propose (voir le document JP 02 137655) d'utiliser
a cet effet non plus un, mais deux capteurs situés chacun de
part et d'autre de la busette, et se déplacant selon l'axe
longitudinal de la lingotiere. La vitesse de coulée est
commandee en fonction de la simple différence entre les
signaux délivrés par chacun des capteurs. Si cela constitue
un progrès par rapport à la configuration a un seul capteur,
un tel dispositif est encore insuffisant pour procurer une
prise en compte satisfaisante (ni surestimee, ni sous-
estimee) de toutes les perturbations du ménisque.
35 Le but de l'invention est de proposer une méthode de
régulation du niveau de métal liquide qui tienne compte des
perturbations locales du ménisque en estimant correctement
leur influence réelle sur le niveau moyen de métal liquide en
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lingotière, et qui permette de diminuer de façon sensible
l'amplitude des fluctuations du niveau du menisque nocives
pour la qualite des brames, et ce en prenant en compte la
totalité du ménisque.
S A cet effet, l'invention a pour objet un procéde de
régulation du niveau du ménisque du métal liquide dans une
lingotiere d'une machine de coulée continue des métaux, selon
lequel on recueille les signaux électriques fournis par au
moins une paire de capteurs surplombant ledit ménisque,
lesdits signaux etant fonction des distances respectives (h1,
h2) entre lesdits capteurs et ledit ménisque, on combine ces
deux signaux de maniere a obtenir un signal unique
représentatif d'un niveau fictif dudit ménisque, et on envoie
ledit signal a des moyens de commande d'un dispositif de
lS régulation du débit de métal pénétrant dans la lingoti~re,
pour que lesdits moyens de commande actionnent ledit
dispositif de maniere ~ ramener ledit niveau fictif dudit
ménisque a une valeur de consigne prédeterminee (h),
caractérisé en ce qu'on conditionne chaque signal issu
desdits capteurs, en éliminant les oscillations ayant a la
fois une frequence superieure a un seuil (F) et une amplitude
inférieure a un seuil (D).
Préférentiellement, on combine lesdits signaux de la
maniere suivante :
h1+h2-2h
- on calcule la grandeur (M = 2 ) et sa valeur
absolue (IMI) i
- on compare (IMI) a deux valeurs prédéterminées
(diffmin) et (diffmax) avec (diffmin ~ diffmaX) ;
- si IMI< diffmin, on prend ledit niveau fictif égal a
M;
- si IMI> diffmaX, on prend ledit niveau fictif égal
une valeur (~hmaX) qui est la plus élevée en valeur absolue,
des grandeurs [(h1 - h), (h2 - h)]
- si diffmin < IMI < diffmax, on prend ledit niveau
fictif egal a a ~hmax + (l-a) M, a etant ~gal
(lMl-diffmin)
(diffmaX ~ diffmin)
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L'invention a egalement pour objet un dispositif pour
la mise en oeuvre de ce procéd~.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste a
conditionner les signaux issus de ces capteurs préalablement
S a leur combinaison, en éliminant de ces signaux les
oscillations a fréquence élevée et faible amplitude, et en
combinant ces signaux en un signal unique d'une maniere
appropriée.
L'invention sera mieux comprise a la lecture de la
description qui suit et fait référence a la fig~re unique
annexée. Celle-ci schématise une section d'un répartiteur et
d'une lingotiere de coulée continue de brames équipée d'un
dispositif selon l'invention.
L'acier liquide 1 contenu dans un répartiteur 2
s'écoule par un orifice de sortie 3, pratiqué dans le fond 4
du répartiteur 2, dans une lingotiere oscillante 5 sans fond.
Les parois latérales 6, 7 de la lingotiere 2 sont
energiquement refroidies par une circulation interne d'eau.
Contre ces parois 6, 7 débute la formation d'une croûte
solidifiée 8. Celle-ci gagne progressivement l'ensemble de la
section de la brame coulée au fur et a mesure qu'elle est
extraite de la machine, comme symbolisé par la fleche 9. Sur
son trajet entre le répartiteur 2 et la lingotiere 5, l'acier
liquide 1 est protégé par une busette tubulaire 10 en un
matériau réfractaire tel que de l'alumine graphitée. La
partie supérieure de la busette 10 est fixée contre le fond 4
du répartiteur 1, dans le prolongement de l'orifice de sortie
3. La partie inférieure de la busette 10 est munie de deux
ouïes latérales 11, 12 par lesqueiles s'écoule l'acier
liquide 1, orientées chacune vers l'une des parois 7. La
busette lO traverse le ménisque 13 de maniere a amener le
métal liquide 1 au coeur de la lingotiere 5 (pour des raisons
de clarté du dessin, on n'a pas représenté la couche de
laitier qui couvre habituellement le ménisque 13). L'orifice
3 est partiellement obturé (ou totalement obturé lorsque la
coulée est arrêtée) par une quenouille 14 a extrémité
grossierement conoïde, dont la position en hauteur est réglée
par un dispositif 15. La position en hauteur de la quenouille
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14, conjuguée à la valeur de la vitesse d'extraction de la
brame hors de la lingotière 5, détermine le niveau moyen
auquel se trouve le ménisque 13 dans la lingotière 5. On a
ainsi marqué en pointilles le niveau de consigne 16 que l'on
d~sire maintenir en permanence lors de la coulée de la brame.
Ce maintien est assuré au moyen d'un dispositif que
l'on va a présent décrire. Il comprend tout d'abord deux
capteurs de niveau 17, 18 d'un type connu en lui-même, par
exemple des capteurs a courants de Foucault. Ils sont situés
de part et d'autre de la busette 10, de préférence a des
distances égales de la busette 10 et au-dessus du grand axe
médian de la section transversale de la lingotiere 5. Dans le
cas général, leurs extrémités inférieures sont situées ~ des
altitudes égales. Le capteur 17 délivre un signal électrique
lS représentatif de la distance h1 entre son extrémité
inférieure et le ménisque 13, et le capteur 18 délivre un
signal électrique représentatif de la distance h2 entre son
extrémité inférieure et le ménisque 13. Dans le cas idéal,
ces distances h1, h2 devraient être égales a la distance h
entre les extrémités inférieures des capteurs 17, 18 et le
niveau de consigne 16. Dans la pratique, c'est tres rarement
le cas, car le ménisque 13 présente toujours des ondulations
d'amplitudes plus ou moins importantes, en fonction des
variations du débit de métal liquide 1 sortant de la busette
10, de l'oscillation de la lingotiere 5, des variations de la
vitesse d'extraction du produit, etc... Ces ondulations
n'étant pratiquement jamais tout a fait symétriques
(notamment du fait que les usures ou les bouchages des ou~es
11, 12 peuvent être sensiblement différents), h1 et h2 sont
en général inégales. Cela explique l'impossibilité
précédemment signalée a effectuer une régulation fiable du
niveau du ménisque 13 en ne se fondant que sur les
informations délivrées par un capteur unique.
Les signaux analogiques délivrés par les capteurs 17,
18 sont envoyés a des convertisseurs analogique/numérique 19,
20, d'o~ ils ressortent numérisés. Chacun de ces signaux
numérisés est envoyé a un dispositif de filtrage numérique
21, 22 qui fonctionne de la manière suivante. Les signaux
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émis par les capteurs 17, 18 et representatifs des variations
du niveau du menisque 13 qu'ils detectent, sont la
superposition de multiples ondulations de frequences et
d'amplitudes diverses. On y trouve des ondulations de faibles
frequences, inferieures à un seuil que l'on fixe
arbitrairement a 0,02 Hz, et des ondulations a frequences
plus élevées, supérieures à 0,02 Hz et pouvant atteindre
quelques Hz.
On considère que, pour une bonne régulation du niveau
du ménisque 13, il est préférable de ne pas tenir compte des
perturbations qui ont à la fois une fréquence élevée
(supérieure à 0,02 Hz) et une faible amplitude. En effet, ce
sont les perturbations à basse fréquence (inférieure à
0,02 Hz) et les perturbations à haute fréquence mais à haute
lS amplitude qui sont considérées comme nocives pour la qualité
de surface des brames. Ne pas tenir compte des perturbations
à haute fréquence et faible amplitude permet de ne pas
solliciter exagérement et inutilement le dispositif de
réglage de debit du métal liquide et de limiter son usure.
Afin d'éliminer ces perturbations des signaux traités, chacun
de ceux-ci est envoyé à un dispositif de conditionnement 21,
22. Ces dispositifs de conditionnements 21, 22 sont
identiques, et fonctionnent de la manière suivante. Le signal
de chaque capteur 17, 18, après avoir été numérisé par l'un
des convertisseurs 19, 20, est traite par un filtre passe-bas
qui supprime ou au moins attenue fortement les signaux de
frçquence superieure à un seuil F, que l'on fixe par exemple
à 0,02 Hz. Les basses frequences subsistantes sont ensuite
soustraites au signal original, non filtre, pour obtenir un
nouveau signal ne comportant plus, de manière significative,
que les frequences les plus elevees du signal original. Ce
nouveau signal traverse ensuite une bande morte qui en
attenue fortement ou en supprime les composantes dont
l'amplitude ne depasse pas un seuil prédéterminé D, pris par
exemple egal à 3 mm. Enfin, on rajoute au signal ainsi traité
les fréquence basses prélevées à la sortie du filtre passe-
bas. On reconstitue ainsi un signal conforme au signal
original délivré par le capteur 17, 18, à ceci près qu'on en
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a éliminé les composantes ayant à la fois une fréquence
élevée (supérieure à F = 0,02 Hz) et une faible amplitude
(inférieure à D = 3 mm).
Les signaux ainsi reconstitués sont ensuite envoyés
dans un dispositif de combinaison 23, pour être combinés en
un signal unique qui les synthétise, de manière à fournir
l'information nécessaire pour la commande de la quenouille
14. Ce signal constitue en quelque sorte un niveau moyen
fictif pour le métal en lingotière. Il est envoyé ~ un
régulateur numérique 24 qui fournit à son tour au dispositif
15 un signal qui lui permet de régler de manière adéquate la
position du nez de la quenouille 14 dans l'orifice de sortie
3, et donc le débit de métal liquide pénétrant dans la
lingotière 5. On vise ainsi à ramener le niveau fictif du
lS métal liquide en lingotière à la valeur de consigne, si un
écart est détecté entre eux.
Avantageusement, les convertisseurs 19, 20, les
dispositifs de conditionnement 21, 22, le dispositif de
combinaison 23 et le régulateur 24 peuvent être disposés à
l'intérieur d'un même bo~tier 25. Les dispositif en aval des
convertisseurs 19, 20 peuvent même être constitués par une
carte de traitement numérique unique conçue et programmée
pour accomplir chacune de leurs fonctions.
Le choix de la manière dont sont combinés les signaux
2S dans le dispositif 23 est d'une grande importance pour la
qualité du résultat final, c'est-à-dire une régulation
adçquate du niveau du ménisque 13. On pourrait se contenter
de prendre comme signal de commande de la quenouille 14 la
simple moyenne des signaux recueillis par chaque capteur, et
traduisant les écarts du niveau par rapport à la consigne.
Mais on risque alors de minimiser l'importance d'une forte
perturbation tant qu'elle est limitée à un seul côté de la
lingotière. On a donc intérêt à combiner ces deux signaux
d'une manière plus complexe. Il faut toutefois éviter de
tomber dans l'excès inverse en accordant une importance
exagérée à une perturbation d'amplitude moyenne limitée à un
seul côté. On retomberait alors dans les travers des systèmes
de régulation à un seul capteur décrits précédemment.
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Les inventeurs ont, a cet effet, proposé la méthode
suivante qui donne des résultats satisfaisants. Comme exposé
précédemment, on appelle h l'écart a maintenir idéalement
entre le ménisque 13 et les capteurs 17, 18, cet écart
S correspondant au niveau de consigne 16. De même, on appelle
respectivement h1 et h2 les écarts mesurés entre les capteurs
17 et 18 et le menisque 13. Les différences (h1 - h) et
(h2 ~ h) traduisent les écarts des niveaux du métal en
lingotiere au droit des capteurs 17, 18 par rapport au niveau
l0 de consigne 16. Si ces différences sont positives, le niveau
de métal au lieu de mesure est inférieur au niveau de
consigne 16. Si elles sont négatives, le niveau de métal au
lieu de mesure est supérieur au niveau de consigne.
Le dispositif de combinaison calcule tout d'abord a un
15 instant t, la moyenne arithmétique M de (hl - h) et (h2 - h)
soit M = 2 . La valeur absolue de M appelée IMI est
ensuite comparée a deux valeurs prédéterminées qu'elle peut
prendre, dont la plus petite est appelée diffmin et la plus
grande est appelee diffmaX. Trois cas peuvent alors se
20 présenter.
1) Si IMI < diffmin, le signal qui est envoyé au
régulateur 24 correspond a M. On considere donc que l'écart
par rapport au niveau de consigne 16 est convenablement
traduit par la simple moyenne arithmétique des ecarts mesures
25 par chacun des capteurs 17, 18.
2) Si IMI 2 diffmaX, le signal qui est envoyé au
régulateur 24 correspond a la plus élevée, en valeur absolue
des différences (hl -h) et (h2 - h), qu'on appelle ~hmaX. On
tient alors compte exclusivement de celle qui traduit l'écart
30 le plus important par rapport a la consigne.
3) Si diffmin < IMI <diffmaX/ le signal qui est envoyé
rau régulateur 24 correspond a un compromis entre M et ~hmaX,
calculé de maniere a assurer une transition progressive entre
les deux modes de régulation précédents. A cet effet, ce
signal est pris égal a a ~hmaX + (l-a) M, a étant défini
par :
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(lMl-diffmin)
a = (diffmaX ~ diffmin)
A la suite de ces calculs le régulateur 24 et les
moyens de commande 15 imposent a la quenouille 14 un
déplacement tel qu'il vise a corriger l'écart entre la valeur
S de consigne 16 et le niveau fictif représenté par le signal
sortant du dispositif de combinaison, établi comme on vient
de l'exposer. L'opération est ensuite répétée a un instant
t+~t, ~t étant, par exemple, égal à 0,1 sec, et on obtient
ainsi une régulation quasi continue du niveau de métal
liquide en lingotiere.
A titre d'exemple, on suppose que le niveau de consigne
16 est situé à une distance h = 75 mm des deux capteurs 17,
18. On pose par ailleurs que diffmaX = 1 mm et diffmin =
5 mm.
a) Si le capteur 17 mesure h1 = 70 mm et le capteur 18
mesure h2 = 79 mm, on a (h1 - h) = - 5 mm et (h2 - h) = + 4
mm. On a alors M = - 0,5 mm. Comme I M I = 0,5 mm est
inférieure à diffmin, le regulateur 24 envoie au dispositif
de commande 15 un signal lui imposant d'actionner la
quenouille 14 de maniere a compenser un écart de M = - 0,5 mm
par rapport au niveau de consigne 16. On n'a pas a tenir
compte de la valeur de ~hmaX (qui est égale a - 5 mm).
b) Si le capteur 17 mesure h1 = 70 mm et le capteur 18
mesure h2 = 91 mm, on (h1 - h) = - 5 mm et (h2 - h) =
+ 16 mm. On a alors ~hmaX = + 16 mm et M = + S, 5 mm. Comme
IMI = 5,5 mm est supérieure a diffmaX, le régulateur 24
envoie alors au dispositif de commande 15 un signal lui
imposant d'actionner la quenouille 14 de maniere a compenser
un écart de ~hmaX = + 16 mm par rapport au niveau de consigne
16.
c) Si le capteur 17 mesure hl = 70 mm et le capteur 18
mesure h2 = 85 mm, on (h1 - h) = - 5 mm et (h2 - h) =
+ 10 mm. On a alors ~hmaX = + 10 mm, et M = + 2,5 mm. Comme
IMI = 2,5 mm est comprise entre diffmin et diffmaX, il faut
2,5 - 1
calculer a = 5 _ 1 - 0,375. Le régulateur 24 envole alors au
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~la9~7~ 1l
dispositif de commande 15 un signal lui imposant d'actionner
la quenouille 14 de manière à compenser un écart de
a~hmax + (1 - a)M=0,375 x lO + (1 - 0,375) x 2,5 = 5,3 mm
par rapport au niveau de consigne 16.
S On rappelle que le mode de combinaison des signaux des
capteurs 17, 18 qui vient d'être exposé ne constitue qu'un
exemple, et d'autres modes de combinaison peuvent être
envisagés. De même, les valeurs numériques citées pour les
parametres de fonctionnement des dispositifs de
conditionnement et de combinaison ne sont que des exemples et
doivent être ajustés en fonction des conditions locales de
chaque machine d'après la qualité des résultats obtenus.
En variante, on pourrait également se passer de
l'opération de numérisation des signaux issus des capteurs
lS 17, 18 avant leur traitement, et réaliser leur
conditionnement et leur combinaison par des moyens purement
analogiques. Mais il va de soi que l'on ne pourrait pas
régler avec la même précision, et surtout modifier rapidement
en cas de besoin les différents paramètres opératoires de
l'installation, tels que, pour le dispositif de
conditionnement, la largeur de la bande morte et la fréquence
de coupure du filtre, et, pour le dispositif de combinaison,
les paramètres diffmin et diffmax
De même tous types de capteurs délivrant un signal
électrique fonction de leur éloignement par rapport au
ménisque, et pas seulement des capteurs à courant de
Foucault, peuvent être utilisés.
D'autre part, il est parfaitement envisageable
d'utiliser plusieurs paires de capteurs, répartis sur la
longueur de la lingotière, si on désire augmenter la
précision de la détection des irrégularités du niveau du
ménisque. On peut également utiliser un tel dispositif sur
une lingotière carrée à blooms ou à billettes.
Enfin, il va de soi que le dispositif de régulation
- 35 décrit est également utilisable sur une machine de coulée
continue sur laquelle le débit de l'acier liquide sortant du
répartiteur est réglé par un autre dispositif qu'une
quenouille, par exemple une busette à tiroir.
