Brevet FR2640173A3 — publié le 19900615

FR 2640173 A3 19900615 FR 8816159 A 19881208 Dispositif pour mettre en vibration par ultrasons une lingotière de coulée continue. La présente invention a pour objet un dispositif pour mettre en vibration par ultrasons une lingotière de coulée continue. L'un des problèmes rencontrés dans le coulée continue des métaux est celui de l'adhérence à la face interne de la lingotière, généralement en cuivre ou l'un de ses alliages, d'une croûte de métal solidifiée par contact avec la surface interne refroidie de la lingotière. En effet, une telle adhérence peut provoquer un déchirement de la croûte solidifiée et, par voie de conséquence, une percée de métal liquide. Pour éviter cet inconvénient, il est bien connu de transmettre è la paroi de la lingotière des vibrations dans la direction de l'axe de la lingotière ou dans une direction perpendiculaire. I1 a été proposé, dans la demande de brevet FR 2 570 626 au nom de la demanderesse, de produire des vibrations ultrasonores au moyen de générateurs (transducteurs) alimentés par un circuit d'excitation et placés sur le haut de la lingotière pour transmettre des vibrations à la paroi de la lingotière parallèlement à l'axe de celle-ci. Cette technique permet d'utiliser des lingotitres classiques, avec une épaisseur de paroi relativement faible. La présente invention a pour but de fournir un dispositif du type de celui décrit dans la demande de brevet FR 2 570 626 précitée, dans lequel le rendement du générateur de vibrations ultrasonores est optimisé. Ce but est atteint, conformément à l'invention, du fait que le circuit d'excitation du générateur de vibrations ultrasonores comprend - un oscillateur ô fréquence commandée pour produire un signal ô la fréquence d'excitation du générateur de vibrations qui est trans mis à celui-ci par l'intermédiaire d'un circuit d'adaptation d'impédance; et - un circuit d'asservissement comportant : un capteur de courant et un capteur de tension destinés à produire des signaux représen tatifs du courant et de la tension du signal produit par l'oscil- lateur, en amont du circuit d'adaptation d'impédance; des filtres passe-bas pour éliminer les composantes à hautes fréquences des signaux produits par les capteurs; un circuit comparateur de phase relié aux sorties des filtres pour produire un signal représentatif du déphasage entre le courant et la tension du signal produit par ltoscillateur; et un circuit de commande de l'oscillateur relié à la sortie du circuit comparateur de phase pour commander la fréquence de l'oscillateur en fonction du signal représentatif du déphasage de manière à constamment rame ner celui-ci vers la valeur nulle. L'asservissement de la fréquence de l'oscillateur à un déphasage nul entre courant et tension permet d'atteindre un rendement optimal, la fréquence d'oscillation étant alors égale à la fréquence de résonance de la charge de l'oscillateur. Une amélioration très sensible du rendement est ainsi obtenue par rapport au dispositif de l'art antérieur fonctionnant avec une fréquence d'excitation fixe, car la fréquence de résonance de la charge de l'oscillateur est susceptible de varier notablement en fonction, notamment, de la température, de la charge de la lingotière, d'un collage momentané du métal à la paroi... A titre indicatif, pour une fréquence centrale d'excitation de 13 kHz, il a été observé des variations de la fréquence de résonance allant jusqutà 10% en valeur relative. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, les filtres passe-bas utilisés pour le filtrage des signaux représentatifs du courant et de la tension du signal d'excitation sont d'un type connu ayant une fréquence de coupure ajustable par application d'un signal d'horloge de fréquence réglable. De la sorte, une adaptation de la fréquence de coupure des filtres à la valeur de la fréquence centrale d'excitation peut etre facilement réalisée, rendant le dispositif aisément adaptable à différentes conditions d'utilisation, la valeur de la fréquence centrale d'excitation pouvant varier de façon notable en fonction notamment du type et des dimensions de la lingotière. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue très schématique d'un dispositif de mise en vibration par ultrasons d'une lingotière de coulée continue, et - la figure 2 est un schéma par blocs du circuit d'excitation d'un générateur de vibrations ultrasonores dans un dispositif selon l'invention. La figure 1 montre une lingotière 10 de coulée continue qui, de façon bien connue en soi, est une pièce tubulaire, par exemple à section rectangulaire, dont les parois sont refroidies par circulation d'un fluide. La lingotière est animée de vibrations ultra sonores produites dans la direction de son axe longitudinal au moyen d'un générateur de vibrations 12 alimenté par un circuit d'excitation 20. Comme décrit dans la demande de brevet FR 2 570 625 déjà citée, le générateur 12 comprend par exemple deux plaquettes piézoélectriques 14, 16, entre lesquelles est disposée une feuille conductrice 15, et qui sont serrées entre le bord supérieur de la lingotière 10, formant masse métallique d'équilibre, et une masse métallique supérieure 18 formant masse émettrice, l'ensemble formé par les plaquettes 14, 16 et la masse 18 étant fixé à la lingotière. Les plaquettes piézoélectriques 14, 16 et la masse métallique 18 épousent la forme du bord supérieur de la lingotière qu'elles prolongent en direction longitudinale. L'excitation du générateur 12 est réalisée par application de la tension de sortie du circuit d'excitation 20 entre la feuille métallique 10 et la masse émettrice 18.Afin de réaliser les conditions optimales de résonance de la lingotière et pour que le plan de joint des plaquettes 14, 16 coincide avec un plan nodal des ondes ultrasonores générées, les conditions suivantes doivent être respectées - la distance D entre les extrémités libres des masses métalliques émettrice 18 et d'équilibre 10 est égale à un multiple de la demi-longueur d'onde des vibrations ultrasonores engendrées (pour la fréquence nominale ou centrale d'excitation), et - la distance D' entre le plan de joint des deux plaquettes 14, 16 et l'extrémité libre de la masse émettrice 18 est égale au quart de ladite longueur d'onde, à un multiple près de la demi-longueur d'onde. Le circuit d'excitation 20 est illustré de façon plus détaillée sur la figure 2. Ce circuit est essentiellement constitué par une boucle à verrouillage de phase permettant un suivi dynamique de la fréquence de résonance de la charge. Le circuit 20 comprend un oscillateur 22 dont la fréquence d'oscillation est commandée par tension. Le signal produit par l'oscillateur 22 est appliqué au générateur de vibrations 12 par l'intermédiaire d'un circuit d'adaptation d'impédance 24, tel qu'un transformateur. Des capteurs 26, 28 fournissent des signaux u et i représentatifs de la tension et du courant en un point situé sur la liaison entre l'oscillateur 22 et le circuit d'adaptation d'impédance 24. Les signaux u et i sont filtrés au moyen de filtres passe-bas 32, 34, qui en éliminent les composantes à haute fréquence. La fréquence de coupure des filtres 32, 34 est ajustée en fonction de la valeur de la fréquence centrale d'oscillation de l'oscillateur 22. Avantageusement, les filtres 32, 34 sont des filtres actifs à fréquence de coupure ajustable par variation de la fréquence d'un signal d'horloge. De tels filtres sont connus en eux-mêmes; on pourra notamment utiliser les composants proposés sous la référence nF10 par la Société NATIONAL SEMICONDUCTORS. Le signal d'horloge à fréquence réglable est fourni par un circuit d'horloge 30. Les signaux filtrés ul et i1 sont appliqués à des circuits de mise en forme 36, 38 qui délivrent des signaux rectangulaires Q et i2 en phase avec les signaux u1 et i1. Un circuit comparateur de phase, ou phasemètre, 40 reçoit les signaux u2 et * et produit un signal sph représentatif du déphasage entre les signaux u2 et i2, c'est-à-dire représentatif du déphasage entre la tension u et le courant i en amont du circuit d'adaptation d'impédance 24. Selon la position d'un commutateur 48, le signal sph est appliqué, à travers un circuit-limiteur d'amplitude 42, à l'un ou l'autre de deux circuits amplificateurs 44, 46 de gains respectivement égaux à +1 et à -1, pour être ensuite amplifié au moyen d'un amplificateur 50 à gain réglable. Le signal de sortie de l'amplificateur 50 constitue la tension de commande de l'oscillateur 22 pour ajuster la fréquence de celui-ci de manière à annuler le déphasage détecté entre le courant i et la tension u. Le circuit d'excitation qui vient d'être décrit permet d'atteindre un rendement optimal en travaillant à la fréquence de résonance (pour laquelle le courant et la tension sont en phase). On notera qu'il s'agit de la fréquence de résonance de la charge de l'oscillateur 22 comprenant non seulement le générateur de vibrations et les masses métalliques associées, mais aussi le circuit d'adaptation d'impédance 24. C'est pourquoi il est important que le prélèvement de signaux représentatifs de la tension et du courant, en vue d'en mesurer le déphasage mutuel, soit effectué en amont du circuit d'adaptation d'impédance. Le circuit limiteur d'amplitude 42 permet d'éviter une trop brutale variation de la tension de commande de l'oscillateur lorsqu'un déphasage important se produit brusquement, par exemple en cas de soudaine variation de charge de la lingotière. Quant au commutateur 48, il permet d'asservir la fréquence de l'oscillateur soit à la fréquence de résonance, soit à la fréquence d'antirésonance. On notera encore que l'utilisation de filtres passe-bas à fréquence de coupure ajustée par un signal d'horloge permet un réglage très facile de la fréquence de coupure. Le circuit d'excitation est donc facilement adaptable à divers ensembles générateur de vibrations-lingotière tout en conservant un réglage optimal de lå fréquence de coupure des filtres éliminant autant que possible les signaux parasites du côté des hautes fréquences. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour mettre en vibration par ultrasons une lingotière de coulée continue, comprenant un générateur de vibrations (12) ultrasonores fixé sur la lingotière (10) et alimenté par un circuit d'excitation (20), caractérisé en ce que le circuit d'excitation comprend - un oscillateur (22) à fréquence commandée pour produire un signal à la fréquence d'excitation du générateur de vibrations qui est transmis à celui-ci par l'intermédiaire d'un circuit d'adaptation d'impédance (24); et - un circuit d'asservissement comportant : un capteur de courant (26) et un capteur de tension (28) destinés à produire des signaux représentatifs du courant et de la tension du signal produit par l'oscillateur, en amont du circuit d'adaptation d'impédance; des filtres passe-bas (32, 34) pour éliminer les composantes à hautes fréquences des signaux produits par les capteurs; un circuit comparateur de phase (40) relié aux sorties des filtres pour produire un signal représentatif du déphasage entre le courant et la tension du signal produit par l'oscilla teur; et un circuit (42, 44, 46, 48, 50) de commande de l'oscil- lateur relié ô la sortie du circuit comparateur de phase pour commander la fréquence de l'oscillateur en fonction du signal représentatif du déphasage, de manière à constamment ramener celui-ci vers la valeur nulle. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les filtres passe-bas (32, 34) ont une fréquence de coupure ajustable par application d'un signal d'horloge de fréquence réglable. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit de commande de l'oscillateur comporte un circuit limiteur d'amplitude (42) branché en sortie du circuit comparateur de phase (40).