Brevet FR2513912A2 — publié le 19830408

FR 2513912 A2 19830408 FR 8118587 A 19811002 1 3 9 1 2 Le brevet princinal a pour objet un procédé de contrô- le du refroidissement du nroduit coulé dans une installa- tion de coulée continue suivant lequel on divise fictive- ment le produit coulé en tranches élémentaires, on calcule périodiquement les débits d'eau à projeter sur les diffé- rentes tranches en fonction de leur âge, on intègre les dé- bits d'eau calculés pour toutes les tranches se trouvant dans chaque section de la zone de refroidissement secondai- re pour déterminer les valeurs de consigne des débits d'eau des différentes sections et on maintient, au moyen de régu- lateurs, les débits d'alimentation en eau des différentes sections égaux aux valeurs de consigne respectives Pour calculer les débits d'eau à projeter sur chaque tranche on détermine la quantité de chaleur à extraire de la tranche considérée et sa température superficielle, à partir de courbes C = f(t) et T = g(t) donnant les variations de ces grandeurs en fonction de l'âge des tranches, on calcule le coefficient d'échange thermique et on déduit de la valeur obtenue le débit d'eau spécifique relatif à cette tranche au moyen d'une courbe liant ces deux grandeurs. Ce procédé permet de tenir compte dans le calcul des débits d'eau de la quantité de chaleur extraite en lingo- tière en décalant parallèlement à l'axe des temps la cour- be C = f(t) de façon qu'elle passe par le point dont les coordonnées sont, d'une part, le temps de séjour total de la tranche considérée en lingotière et, d'autre part, la quantité de chaleur totale extraite de cette tranche pen- dant son séjour dans la lingotière La correction de la courbe T = g(t), selon le procédé du brevet principal, prend aussi en compte la quantité de chaleur extraite en lingotière lorsque la température superficielle du produit coulé à la sortie de la lingotière est calculée à partir de cette grandeur au moyen d'une courbe établie à l'aide de calculs prévisionnels de simulation Pour déterminer les quantités de chaleur extraites en lingotière des dif- férentes tranches du produit coulé, on mesure en continu le débit et l'échauffement de l'eau de refroidissement de la lingotière; on peut aussi les déterminer à partir de -2- données stockées dans la mémoire du calculateur et éta- blies par des essais et des calculs prévisionnels. On sait que pour différentes raisons (influence de la poudre de lubrification, retrait du métal solidifié, etc) la densité de flux de chaleur extraite par la lingotière est plus élevée dans sa partie supérieure que dans sa par- tie inférieure et, par conséquent, la mesure de la quanti- té de chaleur globale extraite par la lingotière ne fournit une information exacte sur la quantité de chaleur extraite d'une tranche quelconque que si tous les paramètres de la coulée et notamment le débit et la température de l'eau de refroidissement de la lingotière et la vitesse d'extrac- tion restent constants pendant tout le séjour de la tran- che considérée dans la lingotière S'il n'en est pas ainsi, ce qui est généralement le cas, on obtient par cette métho- de des informations inexactes sur les quantités de chaleur extraites en lingotière des différentes tranches du pro- duit coulé et sur les températures superficielles du pro- duit coulé à la sortie de la lingotière lorsque celles-ci sont calculées à partir de ces quantités de chaleur. Le but de la présente invention est d'apporter au procédé du brevet principal un perfectionnement permettant de déterminer avec plus de précision l'histoire thermique de chaque tranche élémentaire du produit coulé lors de son passage dans la lingotière en tenant compte de l'évolution du flux de chaleur extrait du haut au bas de la lingotière. Le procédé objet de la présente invention est caracté- risé en ce qu'on répartit suivant une loi prédéterminée, depuis le haut jusqu'au bas de la lingotière, la quantité de chaleur globale extraite de la lingotière, on calcule périodiquement la quantité de chaleur extraite de chaque tranche élémentaire du produit coulé se trouvant dans la lingotière en fonction de sa position dans celle-ci, à partir des résultats obtenus on calcule pour chaque tran- che, à sa sortie de la lingotière, la quantité de chaleur totale extraite en lingotière et on utilise la valeur ob- tenue pour la correction de la courbe des variations de la quantité de chaleur extraite en fonction de l'âge des 25139 1 2 -3- tranches dans le calcul des débits d'eau à projeter sur la tranche considérée, pendant tout son séjour dans la zo- ne de refroidissement secondaire La valeur de la quanti- té de chaleur totale extraite en lingotière calculée pour chaque tranche selon ce procédé peut être utilisée pour déterminer la température superficielle du produit coulé à sa sortie de la lingotière à partir de résultats de cal- culs prévisionnels, la valeur ainsi obtenue étant utilisée pour corriger la courbe des variations de la température superficielle en fonction de l'âge des tranches selon le procédé du brevet principal - La loi de répartition de la quantité de chaleur glo- bale extraite de la lingotière est déduite de mesures ex- périmentales. On peut, en particulier, décomposer la partie utile de la lingotière en plusieurs zones et répartir le flux global de chaleur extrait par la lingotière entre ces dif- férentes zones Dans ce cas le nombre de zones est compris par exemple entre 2 et 20 Le nombre et les longueurs de ces zones et la répartition du flux de chaleur global en- tre ces différentes zones sont définies en tenant compte de l'évolution de l'efficacité thermique du haut au bas de la lingotière et déduites des résultats de mesures et d'es- sais effectués au préalable A chaque calcul, on répartit le flux de chaleur extrait par une zone de la lingotière entre les différentes tranches élémentaires du produit cou- lé contenues dans cette zone; cette répartition est effec- tuée, dans chaque zone, proportionnellement aux longueurs des tranches. La description qui suit se réfère aux dessins l'ac- compagnant qui illustrent le procédé de l'invention et sur lesquels: La figure 1 est le schéma d'une installation de coulée continue courbe et du système de contrôle de refroidisse- ment de la barre coulée conforme à l'invention La figure 2 est une courbe T = g(t) représentant les variations en fonction du temps de la température superfi- cielle de la barre pendant son déplacement dans la machine 251391 2 4- de coulée; La figure 3 est une courbe C = f(t) représentant les variations-en fonction du temps de la quantité de chaleur extraite d'une masse unitaire du produit coulé pendant son déplacement dans la machine de coulée depuis la surface li- bre du métal dans la lingotière; et La figure 4 est une courbe de répartition du flux de chaleur extrait en lingotière. La machine pour la coulée continue de l'acier repré- sentée schématiquement sur la figure 1, comporte essentiel- lement une lingotière 10, un corset de rouleaux de guidage 12, des rouleaux redresseurs 14 et un dispositif de refroi- dissement comportant des buses ou des rampes de pulvérisa- tion ou d'atomisation groupées par sections, toutes les bu- ses ou rampes d'une même section étant branchées en paral- lèle sur une tuyauterie d'alimentation munie d'une vanne 16 dont l'ouverture est commandée par un régulateur 18 pour maintenir le débit d'alimentation égal à un débit de consi- gne fixé par un calculateur 20 Les buses ou rampes sont ré- parties tout autour de la barre coulée ou, s'il s'agit d'une barre à section rectangulaire, seulement sur ses grandes fa- ces Des moyens sont prévus pour régler manuellement la ré- partition entre les différentes buses ou rampes d'une sec- tion, suivant leur position, du débit total d'eau alimen- tant cette section. La machine est équipée de différents dispositifs de mesure dont les informations sont transmises au calcula- teur 20: canne thermométrique 22 pour la mesure de la tem- pérature du métal en fusion dans le répartiteur 24, sondes thermométriques 26 pour la mesure de la température de l'eau de refroidissement de la lingotière; à l'entrée et à la sortie de celle-ci, débitmètre-28 pour la mesure du débit de l'eau de refroidissement de la lingotière, générateur d'impulsions 30 pour la mesure de la vitesse d'extraction de la barre et le calcul de l'âge des éléments de la bar- re, pyromètre 32 pour la mesure de la température superfi- cielle de la barre au voisinage du point de redressement, etc 25139 1 2 -5- A partir de ces informations et de données stockées en mémoire dans le calculateur, ce dernier détermine à inter- valles réguliers les valeurs de consigne des débits d'ali- mentation en eau des différentes sections du dispositif de refroidissement Cet intervalle régulier de temps est com- pris par exemple entre 1 et 50 secondes. Le principe de contrôle du refroidissement selon le procédé du brevet principal est de maintenir dans le temps l'évolution de la solidification de la barre quel que soit le régime de fonctionnement de la machine de coulée Pour cela, on impose une loi de variation C = f(t) de la quanti- té de chaleur extraite par kilo d'acier en fonction du temps de séjour dans la machine (figure 3) à laquelle est asso- ciée une loi de variation T = g(t) de la température super- ficielle de la barre en fonction du temps de séjour dans la machine (figure 2) Ces lois dépendent essentiellement de la nuance de l'acier, du format de la barre et de la vites- se d'extraction En pratique, pour un format de barre don- né, on groupera les nuances d'acier et les vitesses d'ex- traction en différentes classes. Toutes ces courbes sont définies par des équations pa- ramétriques ou par des valeurs ponctuelles introduites en mémoire dans le calculateur Les données sur la nuance d'a- cier et le format de la barre sont introduites dans le cal- culateur, avant chaque coulée, pour lui permettre de sélec- tionner le jeu de courbes correspondantes La vitesse d'ex- traction est mesurée en permanence au moyen du générateur d'impulsions 30 et le calculateur choisit à chaque instant le jeu de courbes correspondant à la vitesse moyenne dédui- te de ces mesures. A partir du jeu de courbes sélectionné, le calculateur peut, à chaque instant, calculer le coefficient d'échange thermique superficiel K pour chaque élément de la barre à partir de C et T et en déduire le débit d'eau spécifique q devant être projeté sur l'unité de surface de l'élément considéré à l'aide d'une courbe K = h (q) stockée dans la mémoire du calculateur; cette courbe peut être unique pour l'ensemble de la zone de refroidissement ou être formée de 139 12 -6- plusieurs segments de courbe distincts valables dans les différentes sections de la zone. Ce calcul est effectué périodiquement, par exemple toutes les 10 s, et la barre est divisée en éléments dont la longueur est celle de la tranche coulée pendant l'in- tervalle de temps entre deux calculs successifs Le numé- ro d'ordre affecté à chaque tranche dès sa production per- met donc à tout instant de connaître son âge et sa posi- tion dans la machine. Connaissant le débit d'eau spécifique q pour chaque tranche élémentaire on peut calculer le débit d'eau Q = q x S à projeter sur la surface latérale S de la tranche. Après avoir calculé les débits d'eau à projeter sur chaque tranche de barre se trouvant à un instant donné dans la zone de refroidissement, on calcule par intégra- tion les valeurs de consigne des débits d'eau d'alimenta- tion des différentes sections de la zone de refroidisse- ment et les valeurs calculées sont transmises aux régula- teurs respectifs 18 - Dans le cas o on utilise des buses ou rampes d'ato- misation dans lesquelles les jets d'eau sont divisés en très fines gouttelettes au moyen d'air comprimé, on cal- cule le débit d'eau total de la zone de refroidissement secondaire et on en déduit le débit d'air total à utiliser, à l'aide d'une équation ou une courbe établissant une re- lation entre ces deux débits Des moyens sont prévus pour régler manuellement la répartition entre les différentes sections du débit total d'air alimentant la zone de re- froidissement secondaire. Pour déterminer la quantité de chaleur à extraire de chaque tranche élémentaire de la barre dans la zone de re- froidissement secondaire, il faut tenir compte de la quan- tité de chaleur réellement extraite en lingotière Pour ce- la on utilise une courbe de base C = f(t) (en trait plein sur la figure 3) correspondant aux conditions de fonction- nement (nuance de l'acier, format de la barre, vitesse d'ex- traction) que l'on décale parallèlement à l'axe des temps pour la faire passer par le point A dont les coordonnées 25139 12 -7- sont égales, respectivement, au temps de séjour total du produit coulé en lingotière tl et à la quantité de chaleur C 1 effectivement extraite en lingotière; cette nouvelle courbe de formule générale C = f (t-a) est représentée en traits interrompus sur la figure 3. La température superficielle de la barre à la sortie de la lingotière est calculée pour chaque tranche à partir d'une courbe établie à l'aide de calculs prévisionnels de simulation et donnant l'évolution de cette température en fonction de la quantité de chaleur extraite en lingotière cette courbe est stockée dans la mémoire du calculateur. Si cette température T'l est différente de la température théorique T 1 fournie par la courbe T = g (t) (en trait plein sur la figure 2) correspondant aux conditions de marche de la machine, le calculateur corrigera le débit de cette cour- be en admettant, par exemple, une variation linéaire de la température depuis la sortie de la lingotière (point d'ab- cisse tl) jusqu'à un point prédéterminé de la partie supé- rieure de la zone de refroidissement (courbe en trait inter- rompu sur la figure 2), de façon à retrouver en ce point la température théorique C'est cette courbe corrigée que le calculateur utilisera pendant tout le séjour de la tran- che considérée dans la zone de refroidissement secondaire pour déterminer la température superficielle entrant dans le calcul des valeurs de consigne des débits d'eau. A chaque pas de calcul, le calculateur 20 détermine à partir des valeurs du débit et des températures à l'en- trée et à la sortie de l'eau de refroidissement de la lin- gotière, mesurées en continu par les sondes 26 et le dé- bitmètre 28, ou à partir d'un fichier de valeurs établies à l'aide de calculs prévisionnels de simulation, la quanti- té globale de chaleur extraite en lingotière pendant la période de temps séparant deux calculs En utilisant une courbe de répartition des flux de chaleur extraits le long de la lingotière, on détermine ensuite la quantité de cha- leur extraite de chaque tranche élémentaire se trouvant dans la lingotière pendant la période considérée et on cal- cule la quantité de chaleur extraite d'une masse unitaire 139 12 -8- de chaque tranche Sur la figure 4 on a représenté deux courbes donnant les variations du flux de chaleur ex- trait du métal contenu dans une lingotière, à travers la paroi de celle-ci, en fonction de la distance 1 à la surfa- ce libre du métal et pouvant être utilisées, comme décrit ci-dessus, pour la mise en oeuvre de l'invention En réali- té, le flux de chaleur extrait varie de façon continue d'u- ne extrémité à l'autre de la partie utile de la lingotière, comme représenté par la courbe en trait plein de la figure 4 En pratique, on peut utiliser une courbe donnant une re- présentation approchée de la loi de répartition du flux (courbe en tirets sur la figure 4) en décomposant la par- tie utile de la lingotière en plusieurs zones (quatre dans l'exemple illustré) et en admettant que le flux de chaleur conserve une valeur constante dans chacune de ces zones. A chaque pas de calcul, on étudie plus particulière- ment la tranche élémentaire de barre située à la sortie de la lingotière et on calcule pour cette tranche l'âge t 1 et la quantité de chaleur C 1 extraite d'une masse unitaire pen- dant son séjour dans la lingotière puis sa température su- perficielle T' Ce sont ces valeurs qui sont utilisées en- suite, à chaque calcul, pour décaler la courbe C = f(t) et corriger la courbe T = g(t) comme décrit ci-dessus. Ce perfectionnement au procédé du brevet principal per- met de déterminer avec plus de précision la quantité de chaleur extraite en lingotière de chaque tranche élémentai- re et, par conséquent, d'améliorer le contrôle du refroidis- sement. 25139 12 -9 R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé de contrôle du refroidissement du produit coulé dans une installation de coulée continue suivant lequel on divise le produit coulé en tranches élémentaires fic- tives, on détermine périodiquement, au moyen d'un calcu- lateur ( 20), la quantité de chaleur à extraire de chaque tranche et sa température superficielle à l'aide de cour- bes (C = f(t), T = g(t)) donnant les variations de ces grandeurs en fonction de l'âge des tranches, on calcu- le à partir des valeurs ainsi déterminées le coefficient d'échange thermique puis le débit d'eau spécifique pour la tranche considérée, on calcule le débit d'eau à pro- jeter sur la tranche considérée, on intègre les débits d'eau calculés pour toutes les tranches se trouvant à l'instant considéré dans chaque section de la zone de refroidissement pour déterminer les valeurs de consigne des débits d'eau des différentes sections et on main- tient, au moyen de régulateurs ( 18), les débits d'ali- mentation en eau des différentes sections égaux aux valeurs de consigne respectives, la courbe (C= f(t))don- nant les variations de la quantité de chaleur à extrai- re des tranches en fonction de leur âge étant décalée parallèlement à l'axe des temps, avant chaque calcul des débits d'eau à projeter sur chaque tranche, de fa- çon à la faire passer par le point dont les coordonnées sont, d'une part, le temps du séjour total de la tran- che en lingotière (t) et, d'autre part, la quantité de chaleur (C) extraite de cette tranche pendant tout son séjour en lingotière, caractérisé en ce que, pour dé- terminer la quantité de chaleur (C) extraite de cha- que tranche en lingotière, on détermine périodique- ment la quantité de chaleur globale extraite de la lin- gotière, on répartit cette quantité de chaleur globale sur toute la hauteur utile de la lingotière, suivant une loi prédéterminée, on en déduit la quantité de cha- leur extraite de chaque tranche se trouvant dans la lin- gotière à l'instant considéré et on calcule pour chaque tranche, à sa sortie de la lingotière, la quantité de 1 39 1 2 - chaleur totale extraite en lingotière en faisant la somme des quantités de chaleur déterminées périodique- ment pendant le séjour de la tranche dans la lingotière. 2 Procédé selon la revendication 1, caract 6 risé en ce que la valeur de la quantité de chaleur totale extraite en lingotière de chaque tranche est utilisée pour détermi- ner la temp 6 rature superficielle de cette tranche à sa sortie de la lingotière, la valeur ainsi obtenue étant utilisée pour corriger la courbe donnant les variations de la temp 6 rature superficielle en fonction de l'âge des tranches.