Brevet FR2703277A1 — publié le 19941007

I PROCEDE ET DISPOSITIF DE REGULATION DU NIVEAU DE METAL LIQUIDE DANS UNE LINGOTIERE DE COULEE CONTINUE 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 lingotière, le métal s'écoule hors du répartiteur par un orifice de sortie, et forme ainsi un jet de coulée qui pénètre dans la lingotière en traversant le ménisque, c'est-à-dire la surface du métal liquide présent dans la lingotière Sur son trajet entre le répartiteur et la lingotière, 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'atmosphère, d'éviter que lors de sa traversée du ménisque, le jet n'entraîne 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 lingotière une configuration favorable à 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 lingotière. L'un des paramètres essentiels dans l'obtention d'un produit sain est la stabilité du niveau du ménisque dans la lingotière Si cette stabilité n'est pas assurée de manière 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'o un risque de déchirures plus ou moins S 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 déchirures (phénomène appelé "percée"), et provoquer l'arrêt 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 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 à 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 paramètres 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 à se décoller des parois Pour obtenir une régulation satisfaisante du niveau de métal liquide en lingotière, il est indispensable d'utiliser un système 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 à l'aide d'un capteur optique ou inductif unique Il fournit un signal électrique qui, après traitement, est utilisé pour commander la position de la quenouille. C'est dans le cas des coulées continues de brames que le problème de la régulation du niveau du ménisque est le plus complexe En effet, ces lingotières sont longues et étroites, et à un instant donné, les fluctuations du niveau du ménisque peuvent être très inégales d'une région à l'autre de la lingotière Les indications données par un capteur unique ne sont donc pas forcément représentatives des fluctuations du niveau du ménisque D'autre part, sur ces machines, l'extrémité inférieure de la busette comporte le plus souvent deux ouïes diamétralement opposées qui orientent chacune une fraction du jet de métal vers l'une des petites faces de la lingotière Or ces deux ouïes ne se bouchent ou ne s'élargissent pas nécessairement de manière identique pendant toute la coulée Les écoulements dans la lingotière peuvent donc évoluer de manière dissymétrique, et les ondulations qui affectent le ménisque ont alors des configurations très différentes de part et d'autre de la busette à un instant donné En particulier lorsqu'une des ouïes se débouche brusquement, si ce débouchage a lieu du côté de la busette o se trouve le capteur, celui-ci attribue à la perturbation correspondante une importance exagérée par rapport à l'évolution réelle du niveau moyen du ménisque qu'elle provoque Inversement, si le débouchage a lieu du côté opposé à celui o se trouve le capteur, celui-ci ne détecte pas la perturbation à l'instant o elle se produit, ou seulement d'une manière très atténuée Dans les deux cas, la quenouille ne peut être commandée de la manière la plus appropriée pour réagir à cet événement. On a proposé (voir le document JP 02 137655) d'utiliser à cet effet non plus un, mais deux capteurs situés chacun de part et d'autre de la busette, et se déplaçant selon l'axe longitudinal de la lingotière La vitesse de coulée est commandée en fonction de la simple différence entre les signaux délivrés par chacun des capteurs Si cela constitue un progrès par rapport à la configuration à un seul capteur, un tel dispositif est encore insuffisant pour procurer une prise en compte satisfaisante (ni surestimée, ni sous- estimée) 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 lingotière, et qui permette de diminuer de façon sensible l'amplitude des fluctuations du niveau du ménisque nocives pour la qualité des brames, et ce en prenant en compte la totalité du ménisque. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de régulation du niveau du ménisque du métal liquide dans une lingotière 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 étant fonction des distances respectives (hl, h 2) entre lesdits capteurs et ledit ménisque, on combine ces deux signaux de manière à obtenir un signal unique représentatif d'un niveau fictif dudit ménisque, et on envoie ledit signal à des moyens de commande d'un dispositif de régulation du débit de métal pénétrant dans la lingotière, pour que lesdits moyens de commande actionnent ledit dispositif de manière à ramener ledit niveau fictif dudit ménisque à une valeur de consigne prédéterminée (h), caractérisé en ce qu'on conditionne chaque signal issu desdits capteurs, en éliminant les oscillations ayant à la fois une fréquence supérieure à un seuil (F) et une amplitude inférieure à un seuil (D). Préférentiellement, on combine lesdits signaux de la manière suivante: hl+h 2-2 h on calcule la grandeur (M 2) et sa valeur absolue (IMI); on compare (IMI) à deux valeurs prédéterminées (diffmin) et (diffmax) avec (diffmin diffmax, on prend ledit niveau fictif égal à une valeur (Ahmax) qui est la plus élevée en valeur absolue, des grandeurs l(h 1 h), (h 2 h)l si diffmin la mise en oeuvre de ce procédé. Comme on l'aura compris, l'invention consiste à conditionner les signaux issus de ces capteurs préalablement à leur combinaison, en éliminant de ces signaux les oscillations à fréquence élevée et faible amplitude, et en combinant ces signaux en un signal unique d'une manière appropriée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et fait référence à la figure unique annexée Celle-ci schématise une section d'un répartiteur et d'une lingotière 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 lingotière oscillante 5 sans fond. Les parois latérales 6, 7 de la lingotière 2 sont énergiquement 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 à mesure qu'elle est extraite de la machine, comme symbolisé par la flèche 9 Sur son trajet entre le répartiteur 2 et la lingotière 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 lesquelles s'écoule l'acier liquide 1, orientées chacune vers l'une des parois 7 La busette 10 traverse le ménisque 13 de manière à amener le métal liquide 1 au coeur de la lingotière 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 à extrémité grossièrement conoïde, dont la position en hauteur est réglée par un dispositif 15 La position en hauteur de la quenouille 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 pointillés le niveau de consigne 16 que l'on désire maintenir en permanence lors de la coulée de la brame. Ce maintien est assuré au moyen d'un dispositif que l'on va à présent décrire Il comprend tout d'abord deux capteurs de niveau 17, 18 d'un type connu en lui-même, par exemple des capteurs à courants de Foucault Ils sont situés de part et d'autre de la busette 10, de préférence à des distances égales de la busette 10 et au-dessus du grand axe médian de la section transversale de la lingotière 5 Dans le cas général, leurs extrémités inférieures sont situées à des altitudes égales Le capteur 17 délivre un signal électrique représentatif de la distance h 1 entre son extrémité inférieure et le ménisque 13, et le capteur 18 délivre un signal électrique représentatif de la distance h 2 entre son extrémité inférieure et le ménisque 13 Dans le cas idéal, ces distances hl, h 2 devraient être égales à la distance h entre les extrémités inférieures des capteurs 17, 18 et le niveau de consigne 16 Dans la pratique, c'est très 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 lingotière 5, des variations de la vitesse d'extraction du produit, etc Ces ondulations n'étant pratiquement jamais tout à fait symétriques (notamment du fait que les usures ou les bouchages des ouïes 11, 12 peuvent être sensiblement différents), h 1 et h 2 sont en général inégales Cela explique l'impossibilité précédemment signalée à 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 à des convertisseurs analogique/numérique 19, , d'o ils ressortent numérisés Chacun de ces signaux numérisés est envoyé à un dispositif de filtrage numérique 21, 22 qui fonctionne de la manière suivante Les signaux émis par les capteurs 17, 18 et représentatifs des variations du niveau du ménisque 13 qu'ils détectent, sont la superposition de multiples ondulations de fréquences et d'amplitudes diverses On y trouve des ondulations de faibles fréquences, inférieures à un seuil que l'on fixe arbitrairement à 0,02 Hz, et des ondulations à fréquences 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 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 exagérément et inutilement le dispositif de réglage de débit 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 traité par un filtre passe-bas qui supprime ou au moins atténue fortement les signaux de fréquence supérieure à un seuil F, que l'on fixe par exemple à 0,02 Hz Les basses fréquences subsistantes sont ensuite soustraites au signal original, non filtré, pour obtenir un nouveau signal ne comportant plus, de manière significative, que les fréquences les plus élevées du signal original Ce nouveau signal traverse ensuite une bande morte qui en atténue fortement ou en supprime les composantes dont l'amplitude ne dépasse pas un seuil prédéterminé D, pris par exemple égal 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 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 à un régulateur numérique 24 qui fournit à son tour au dispositif 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 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 boîtier 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 dans le dispositif 23 est d'une grande importance pour la qualité du résultat final, c'est-à-dire une régulation adéquate 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 de35 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. Les inventeurs ont, à cet effet, proposé la méthode suivante qui donne des résultats satisfaisants Comme exposé précédemment, on appelle h l'écart à maintenir idéalement entre le ménisque 13 et les capteurs 17, 18, cet écart correspondant au niveau de consigne 16 De même, on appelle respectivement h 1 et h 2 les écarts mesurés entre les capteurs 17 et 18 et le ménisque 13 Les différences (h 1 h) et (h 2 h) traduisent les écarts des niveaux du métal en lingotière au droit des capteurs 17, 18 par rapport au niveau 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 à un instant t, la moyenne arithmétique M de (h 1 h) et (h 2 h) hl+h 2 -2 h soit M = 2 La valeur absolue de M appelée IMI est ensuite comparée à deux valeurs prédéterminées qu'elle peut prendre, dont la plus petite est appelée diffmin et la plus grande est appelée diffmax Trois cas peuvent alors se présenter. 1) Si lMI par chacun des capteurs 17, 18. 2) Si IMI > diffmaxi le signal qui est envoyé au régulateur 24 correspond à la plus élevée, en valeur absolue des différences (h 1 -h) et (h 2 h), qu'on appelle Ahmax On tient alors compte exclusivement de celle qui traduit l'écart le plus important par rapport à la consigne. 3) Si diffmin liquide en lingotière. 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 = mm. a) si le capteur 17 mesure h 1 = 70 mm et le capteur 18 mesure h 2 = 79 mm, on a (h 1 h) = 5 mm et (h 2 h) = + 4 mm On a alors M = 0,5 mm Comme IMI = 0,5 mm est inférieure à diffmin, le régulateur 24 envoie au dispositif de commande 15 un signal lui imposant d'actionner la quenouille 14 de manière à compenser un écart de M = 0,5 mm par rapport au niveau de consigne 16 On n'a pas à tenir compte de la valeur de Ahmax (qui est égale à 5 mm). b) Si le capteur 17 mesure h 1 = 70 mm et le capteur 18 mesure h 2 = 91 mm, on (h 1 h) = 5 mm et (h 2 h) = + 16 mm On a alors Ahma X = + 16 mm et M = + 5,5 mm Comme IMI = 5,5 mm est supérieure à diffmax, le régulateur 24 envoie alors au dispositif de commande 15 un signal lui imposant d'actionner la quenouille 14 de manière à compenser un écart de Ahmax = + 16 mm par rapport au niveau de consigne 16. c) Si le capteur 17 mesure h 1 = 70 mm et le capteur 18 mesure h 2 = 85 mm, on (h 1 h) = 5 mm et (h 2 h) = + 10 mm On a alors Ahmax = + 10 mm, et M = + 2,5 mm Comme IMI = 2,5 mm est comprise entre diffinin et diffmax, il faut 2,5 1 calculer a = 5 0,375 Le régulateur 24 envoie alors au Il dispositif de commande 15 un signal lui imposant d'actionner la quenouille 14 de manière à compenser un écart de OE Ahmax + ( 1 a)M= 0, 375 x 10 + ( 1 0,375) x 2,5 = 5,3 mm par rapport au niveau de consigne 16. 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 paramètres 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 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 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. REVENDICATIONS 1) Procédé de régulation du niveau du ménisque du métal liquide dans une lingotière 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 étant fonction des distances respectives (hl, h 2) entre lesdits capteurs et ledit ménisque, on combine ces deux signaux de manière à obtenir un signal unique représentatif d'un niveau fictif dudit ménisque, et on envoie ledit signal à des moyens de commande d'un dispositif de régulation du débit de métal pénétrant dans la lingotière, pour que lesdits moyens de commande actionnent ledit dispositif de manière à ramener ledit niveau fictif dudit ménisque à une valeur de consigne prédéterminée (h), caractérisé en ce qu'on conditionne chaque signal issu desdits capteurs, en éliminant les oscillations ayant à la fois une fréquence supérieure à un seuil (F) et une amplitude inférieure à un seuil (D). 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de la combinaison desdits signaux émis par lesdits capteurs: h 1 +h 2-2 h on calcule la grandeur (M = 2) et sa valeur absolue (IMI); on compare (IMI) à deux valeurs prédéterminées (diffmin) et (diffmax) avec (diffmin 13 2703277 3) Procédé selon la revendication 1 ou caractérisé en ce qu'on met les signaux issus desdits capteurs sous forme numérique, et en ce qu'on réalise lesdites opérations de conditionnement et de combinaison sur lesdits signaux ainsi numérisés. 4) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le seuil (F) est pris égal à 0,02 Hz. 5) Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le seuil (D) est pris égal à 3 mm. 6) Dispositif de régulation du niveau du ménisque ( 13) de métal liquide dans une lingotière ( 5) d'une machine de coulée continue des métaux, du type comprenant au moins une paire de capteurs surplombant ledit ménisque ( 13) chacun de ces capteurs ( 17,18) délivrant un signal représentatif de sa distance (h 1,h 2) audit ménisque ( 13), des moyens ( 23) pour combiner lesdits signaux et pour délivrer un signal unique représentatif d'un niveau fictif dudit ménisque à des moyens de commande ( 24,15) d'un dispositif ( 14) de réglage du débit du métal liquide pénétrant dans la lingotière, caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens ( 21,22) pour conditionner lesdits signaux avant leur combinaison, de manière à en éliminer les ondulations ayant à la fois une fréquence supérieure à un seuil (F) et une amplitude inférieure à un seuil (D). 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 19,20) pour numériser lesdits signaux émis par lesdits capteurs ( 17,18), et en ce que lesdits moyens ( 21,22,23) pour conditionner et combiner lesdits signaux sont des moyens de traitement numériques. 8) Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que lesdits capteurs ( 17,18) sont des capteurs à courants de Foucault.