Brevet FR2770427A1 — publié le 19990507

PROCEDE ET INSTALLATION DE COULEE DE BANDES MINCES METALLIQUES SUR UN OU ENTRE DEUX CYLINDRES L'invention concerne la coulée continue des métaux sous forme de bandes métalliques par solidification directe de métal liquide sur un ou entre deux cylindres entraînés en rotation. Les cylindres utilisés sur les installations de coulée mettant en oeuvre ce procédé sont constitués généralement par un coeur assurant la résistance mécanique du cylindre et son entraînement en rotation, et par une virole entourant ce coeur. Cette virole est réalisée en un matériau bon conducteur de la chaleur, tel que le cuivre ou un de ses alliages. C'est à son contact que le métal liquide coulé doit se solidifier, et elle doit donc être énergiquement refroidie intérieurement. A cet effet, un fluide de refroidissement, généralement de l'eau, circule sous pression à l'intérieur de canaux forés dans l'épaisseur de la virole, parallèlement à l'axe du cylindre. Ces canaux sont reliés à leurs extrémités à des conduits d'alimentation et de retour ménagés, par exemple, dans le coeur du cylindre. La section des canaux de refroidissement et leur répartition dans la virole sont déterminés de manière à assurer un débit de fluide suffisant pour garantir une extraction suffisante de la chaleur à partir du métal liquide, ainsi qu'une répartition aussi homogène que possible du refroidissement sur le pourtour du cylindre. De tels cylindres sont décrits, notamment, dans les documents EP-A- 0 428 464, EP-A-0 499 562 et EP-A-0 650 789. Habituellement, au moins pour les cylindres utilisés sur les installations de coulée de bandes d'acier, les canaux de refroidissement ont un diamètre de l'ordre de 10 à 15 mm. Ce diamètre peut être augmenté, jusqu'à environ 20 mm, si on y insère des tiges qui, en diminuant la section utile de ces canaux élargis, permettent de confiner les écoulements dans des portions des canaux proches de la surface extérieure de la virole. Par rapport à l'utilisation de canaux libres de plus petit diamètre, une telle disposition, décrite dans le document EP-A-0 499 562, permet d'augmenter la surface d'échange thermique entre le fluide et la virole ainsi que la facilité du perçage des canaux, sans pour autant nécessiter de modifier la vitesse et le débit du fluide de refroidissement. L'homogénéité du refroidissement de la virole est d'autant meilleure que la distance séparant deux canaux voisins est plus faible, donc que le nombre de canaux est plus élevé. A cet effet, le nombre de canaux à ménager dans la virole dépend notamment du diamètre du cylindre, qui peut être de l'ordre de 500 à 1500 mm. Dans la pratique, un nombre de 100 à canaux est habituel. Un refroidissement homogène de la virole est une condition nécessaire pour que la bande coulée soit exempte de défauts. En particulier, s'il arrive qu'un canal se bouche partiellement ou totalement pendant la coulée, la surface externe de la virole présente sur la largeur du cylindre une température anormalement élevée face à ce canal. La solidification de la bande ne s'y effectue donc pas aussi rapidement qu'il le faudrait, et cela confère localement à la surface de la bande une fragilité qui peut provoquer l'apparition de criques transversales. Le bouchage d'un canal peut survenir à cause d'un entartrage progressif des canaux si l'eau de refroidissement est insuffisamment déminéralisée, ou d'une accumulation d'impuretés diverses qu'elle y a amenées. Lorsqu'un tel bouchage survient en conduisant à une augmentation locale très forte de la température de la virole, et qu'on ne peut y remédier, il devient nécessaire d'arrêter la coulée pour éviter une détérioration irréversible de la virole. Celle-ci est une pièce coûteuse, qu'il est important de conserver en bon état aussi longtemps que possible. Le but de l'invention est de fournir aux opérateurs faisant fonctionner une machine de coulée continue de bandes sur un cylindre ou entre deux cylindres un moyen de contrôler en cours de coulée le bon état des canaux de refroidissement de chacun des cylindres. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication de bandes minces métalliques par solidification de métal liquide sur la surface d'un cylindre en rotation ou entre les surfaces de deux cylindres à axes horizontaux mis en rotation en sens contraires, le ou lesdits cylindres comportant chacun au voisinage de leur surface une multiplicité de canaux parcourus par un fluide de refroidissement, caractérisé en ce que, pour chacun desdits cylindres en rotation, on mesure ponctuellement en continu sa température superficielle dans une zone o sa surface est à l'air libre, on détermine les moments auxquels ladite zone de mesure se trouve face à l'un desdits canaux, et on déduit de ladite mesure une appréciation sur la qualité de la circulation dudit fluide de refroidissement dans ledit canal. L'invention a également pour objet une installation de coulée continue de bandes métalliques par solidification de métal liquide sur la surface d'un cylindre en rotation ou entre les surfaces de deux cylindres à axes horizontaux mis en rotation en sens contraires, le ou lesdits cylindres comportant chacun au voisinage de leur surface une multiplicité de canaux parcourus par un fluide de refroidissement, caractérisé en ce qu'elle comporte, pour chacun desdits cylindres, au moins un instrument de mesure en continu de sa température superficielle dans une zone de mesure ponctuelle o ladite surface est à l'air libre, des moyens pour déterminer les moments auxquels ladite zone de mesure se trouve face à l'un desdits canaux et pour identifier ce canal, et des moyens pour déduire, à partir des mesures et des déterminations précédentes, des informations représentatives de la qualité de la circulation du fluide de refroidissement dans ledit canal. Comme on l'aura compris, I'invention consiste à mesurer en continu la température de surface de la virole défilant devant un instrument de mesure tel qu'un pyromètre optique, à mettre à chaque instant la mesure en relation avec la position angulaire du cylindre, et à se donner la possibilité d'avertir les opérateurs lorsqu'on constate sur plusieurs tours de cylindre consécutifs une température anormalement élevée de la surface de la virole pour une position angulaire du cylindre donnée correspondant à la présence d'un canal de refroidissement sous la zone de mesure. Cette température élevée est considérée comme un indice de bouchage partiel ou total du canal de refroidissement situé face à la zone de la virole concernée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence aux figures annexées suivantes: - la figure 1 qui montre schématiquement en coupe transversale une installation de coulée continue de bandes métalliques entre deux cylindres selon l'invention; - la figure 2 qui montre des courbes représentatives d'un exemple de mesures de la température de surface d'un des cylindres, réalisées sur l'installation selon l'invention lors de deux tours consécutifs dudit cylindre. o10 L'installation de coulée continue de bandes minces métalliques représentée sur la figure 1 comporte classiquement deux cylindres 1, 1' à axes horizontaux maintenus proches l'un de l'autre et mis en rotation en sens contraires par des moyens non représentés. Leurs surfaces latérales 2, 2' définissent, là o elles se font face, un espace de coulée 3 obturé latéralement par des parois en réfractaire 4 (dont seule l'une est visible sur la figure 1) plaquées contre les extrémités des cylindres 1, 1'. Au dessus des cylindres 1, 1' se trouve un répartiteur 5 renfermant le métal liquide 6 à couler, qui est, par exemple, de l'acier ou du cuivre. Une busette de coulée 7 amène le métal liquide 6 dans l'espace de coulée 3 à partir du répartiteur 5. Les cylindres 1, 1' sont chacun constitués par un coeur 8, 8' rigide sur lequel agissent les moyens de mise en rotation des cylindres 1, 1', et par une virole 9, 9' fixée rigidement sur le coeur 8, 8'. C'est cette virole 9, 9', réalisée en un matériau bon conducteur de la chaleur tel que le cuivre ou un alliage de cuivre, qui assure la solidification du métal liquide 6 présent dans l'espace de coulée 3. A cet effet, elle comporte dans son épaisseur un nombre "N" de canaux de refroidissement 10, 10' parcourus par un fluide tel que de l'eau, disposés parallèlement à l'axe du cylindre 1, 1', et connectés par leurs extrémités à des moyens d'amenée et d'évacuation du fluide refroidissant, intégrés au coeur 8, 8' (non représentés sur la figure 1). Les canaux 10, 10' sont indépendants les uns des autres. Pour plus de détails concernant la conception des cylindres 1, 1', on pourra se reporter notamment aux documents cités dans le préambule de la demande et qui décrivent des exemples (non limitatifs) de telles conceptions. Au contact des viroles refroidies 9, 9' se forment des peaux solidifiées 11, 11' de métal qui, dans l'exemple représenté (comme c'est généralement le cas lors de la coulée d'acier), se rejoignent au col 12, c'est à dire au niveau o les cylindres 1, 1' sont les plus proches l'un de l'autre, pour former une bande 13 entièrement solidifiée. Conformément à l'invention, on dispose face à chacun des cylindres 1, 1' un moyen fixe de mesure ponctuelle de la température superficielle "T" de sa virole 9, 9' dans une zone o cette virole 9, 9' est exposée à l'air libre (c'est à dire qu'elle n'est pas au contact du métal), de préférence à mi-largeur du cylindre 1, 1'. Comme représenté, ce moyen de mesure de la température peut être constitué notamment par un pyromètre optique 14, 14' qui a l'avantage de pratiquer une mesure sans contact. Un moyen de mesure de la température avec contact, tel qu'un thermocouple, serait théoriquement acceptable, mais aurait l'inconvénient de s'user au cours de la coulée, voire de détériorer la surface de la virole 9, 9'. De plus, la chaleur dégagée par le frottement du thermocouple contre la virole 9, 9' fausserait le résultat de la mesure. Le résultat de cette mesure ponctuelle de la température superficielle "T" effectuée sur chaque virole 9, 9' est transmis en continu à des unités de traitement 15, 15' affectées chacune à un des cylindres 1, 1'. Ces unités de traitement reçoivent également de la part des dispositifs de mise en rotation des cylindres 1, 1' des informations sur la position angulaire des cylindres 1, 1'. Ces informations permettent de déterminer à quels moments la zone ponctuelle de mesure de la température superficielle "T" de la virole 9, 9' se trouve à l'aplomb d'un canal de refroidissement 10, 10', et également de quel canal de rang "n" (n étant compris entre 1 et N) il s'agit, par rapport à un canal de rang I pris arbitrairement comme référence. Il est ainsi possible aux unités de traitement 15, ' de réunir les informations rendant possible le tracé des courbes 16, 17 des figures 2a et 2b, et éventuellement de les tracer sur des écrans 18, 18' à l'intention des opérateurs chargés du fonctionnement de l'installation. La courbe de la figure 2a représente partiellement une courbe 16 tracée à partir des données recueillies par l'une des unités de traitement 15, 15'. Cette courbe 16 montre en ordonnées la température "T" de la virole 9, 9' mesurée ponctuellement en continu par le pyromètre 14, 14' pendant un tour complet de rang "x" du cylindre 1, 1' correspondant. A l'aide des données transmises par le dispositif de mise en rotation du cylindre 1, 1' sur la position angulaire du cylindre 1, 1', il est possible de déterminer à quels moments la température mesurée T correspond à celle d'une zone de la virole 9, 9' située à l'aplomb d'un canal de refroidissement 10, 10' de rang donné. On peut ainsi graduer l'axe des abscisses de la figure 2a avec les rangs des canaux de refroidissement 10, 10' en question. Dans l'exemple représenté sur la figure 2a, la courbe 16 montre que pendant ce tour de rang "x": - la température superficielle "T" de la virole 9, 9' dans la zone considérée a oscillé généralement autour d'une valeur moyenne Tmo; elle était légèrement inférieure à Tàoy dans les zones situées sensiblement face à la plupart des canaux de refroidissement 10, 10' et légèrement supérieure à Toy entre lesdites zones; ces hétérogénéités tolérables de la température superficielle "T" de la virole 9, 9' sont dues à la plus ou moins grande distance des zones considérées par rapport aux canaux 10, 10'; - mais dans des zones encadrant l'aplomb des canaux de rang "n" et "n+3", la température "T" a pris une valeur nettement supérieure à Toy; cela est l'indice que dans ces deux canaux, la circulation du fluide de refroidissement ne s'effectuait plus normalement au moment de la mesure, à la suite d'un bouchage partiel ou total de leur section. La courbe 17 de la figure 2b est équivalente à la courbe 16 de la figure 2a, mais elle est tracée pour le tour de rang "x+l" du même cylindre 1, 1'. Par rapport à la courbe 16 tracée pour le tour précédent de rang "x", on note: -que la température moyenne Tmoy autour de laquelle oscillait normalement la température superficielle "T" de la virole 9, 9' lors du tour de rang "x+l" n'a pas été très sensiblement différente de ce qu'elle était au tour de rang "x"; - que la température "T" mesurée à l'aplomb du canal de rang "n" a encore augmenté, et que face à des canaux voisins de rangs "n-l" et "n+l", la température "T" a commencé également à devenir anormalement élevée; cela est l'indice que dans l'espace de temps séparant les deux mesures, la circulation du fluide de refroidissement dans le canal de rang "n" ne s'est pas améliorée, et que l'effet de ce défaut dans le refroidissement de la virole 9, 9' se faisait sentir sur une plage de largeur croissante; - et que la température "T" mesurée à l'aplomb du canal de rang "n+3" est revenue à une valeur plus proche de Toy; cela est l'indice que dans l'espace de temps séparant les deux mesures, la circulation du fluide de refroidissement dans le canal de rang "n+3" s'est améliorée, par exemple parce que les impuretés qui la gênaient lors du tour de rang "x" ont pu être entraînées par le courant de fluide refroidissant. On peut prévoir que l'unité de traitement 15, 15' déclenche une alarme signalant le fonctionnement anormal d'un canal 10, 10' dès que la température "T" de la virole 9, 9' mesurée à son aplomb excède une valeur prédéterminée dont on considère qu'elle ne doit pas être durablement dépassée sous peine d'une détérioration de la virole 9, 9'. On peut également prévoir de calculer après chaque tour du cylindre 1, 1' la moyenne des températures "T" qui ont été mesurées face aux N canaux 10, 10', et de déclencher une alarme si une ou plusieurs de ces températures "T" excèdent cette moyenne de, par exemple, 20 C ou davantage. En variante, afin d'éviter autant que possible de déclencher des alarmes injustifiées en cas de bouchage seulement temporaire d'un canal 10, 10', on peut également prévoir que l'unité de traitement 15, 15' conserve en mémoire les résultats des mesures effectuées pendant plusieurs tours consécutifs. L'alarme n'est alors déclenchée que si une température "T" jugée excessive (en valeur absolue, ou par comparaison avec les températures "T" mesurées ailleurs lors du même tour) à l'aplomb d'un canal 10, 10' donné a été constatée lors de, par exemple, 5 tours consécutifs. Le tableau 1 suivant illustre par un exemple la forme que peut revêtir la collecte des données et les conclusions qu'il est possible d'en tirer quant à l'opportunité, à un instant donné, de déclencher une alarme signalant qu'un canal précis est obstrué d'une manière durable et dangereuse pour le bon état de la virole. Le cylindre concerné comporte 200 canaux; les données présentées ont été recueillies pendant 7 tours consécutifs. On a choisi de déclencher une alarme lorsque la température superficielle du cylindre mesurée à l'aplomb d'un canal donné lors d'un tour donné a, lors de 5 tours consécutifs, dépassé de C au moins la température moyenne mesurée dans les 200 canaux lors du tour correspondant. Dans le tableau 1, les températures jugées anormalement élevées selon ce critère et pouvant, de ce fait, contribuer au déclenchement d'une alarme, sont inscrites en caractères gras. T ( C) T ( C) T ( C) T ( C) T ( C) T ( C) T ( C) TMy ( C) __ __ canal 23 canal 24 canal 25 canal 26 canal 27 canal 28 canal 29 canaux 1-200 Tour 61 100 102 110 103 103 115 100 102 Tour62 102 104 116 100 104 122 102 103 Tour 63 103 104 125 106 106 127 104 102 Tour64 99 106 130 107 106 124 106 100 Tour 65 102 106 133 106 104 118 104 101 Tour66 101 107 138 108 103 112 102 102 Tour67 104 110 141 110 103 108 100 103 Alarme ? non non ou non non non Tableau 1: exemple de données recueillies par l'installation selon l'invention Dans cet exemple, il a été mesuré à l'aplomb du canal 25 pendant 5 tours consécutifs (63 à 67) une température dépassant de plus de 20 C la température moyenne s mesurée pendant chacun des tours correspondants. En conséquence, une alarme a été déclenchée à l'issue du tour 67 pour signaler un bouchage probable au moins partiel du canal 25. Le fait que la température mesurée augmentait de façon continue entre les tours 61 et 67 est l'indice que ce bouchage risque d'aller en s'aggravant et de détériorer définitivement le cylindre si la coulée continue dans ces conditions. En revanche, à l'aplomb du canal 28, une température excessive n'a été mesurée que pendant 3 tours consécutifs, à l'issue desquels la température est revenue à un niveau normal. Cela est l'indice que le bouchage du canal 28 qui a pu provoquer cette augmentation de température n'a pas persisté, et qu'il était donc inutile de déclencher une alarme à cause de lui. Pour plus de sécurité, on peut prévoir d'installer face à chaque cylindre 1, 1' une pluralité de pyromètres 14, 14' (ou d'autres moyens de mesure de la température). On peut ainsi espérer détecter les bouchages des canaux 10, 10' avec une meilleure précision. Bien entendu, sans sortir de l'esprit de l'invention, d'autres méthodes de traitement des données recueillies pourraient être utilisées, pourvu qu'elles permettent de conclure avec une bonne fiabilité, à partir des températures mesurées, que le fluide de refroidissement ne circule pas correctement dans un canal donné, et que cela peut être dommageable pour l'intégrité de la virole et également pour la qualité de la bande coulée. Lorsqu'une alarme a été déclenchée, les opérateurs peuvent choisir d'interrompre la coulée pour éviter une détérioration de la virole, d'autant que, comme on l'a dit, les bouchages de canaux de refroidissement peuvent entraîner l'apparition de défauts rédhibitoires sur la bande solidifiée qui rendent inutile la poursuite de la coulée. S'ils en ont la possibilité, les opérateurs peuvent également lancer des actions visant à tenter de déboucher le ou les canaux concernés, par exemple une importante et soudaine augmentation de la pression du fluide de refroidissement. Les unités de traitement des données peuvent être directement connectées aux organes permettant de commander cette action de débouchage, de manière à les déclencher sans intervention des opérateurs quand elles s'avèrent nécessaires. L'invention a été décrite dans le cas de son application à la coulée de bandes minces métalliques entre deux cylindres. Mais elle est transposable de manière évidente au cas de la coulée de bandes métalliques sur un seul cylindre. De même, on peut l'appliquer à des machines de coulée o les canaux de refroidissement seraient ménagés non pas à l'intérieur de la virole, mais entre la virole et le coeur du cylindre, voire à des machines o les cylindres ne comporteraient pas de virole séparée du coeur, mais une pièce unique. L'essentiel est que le ou les cylindres comportent au voisinage de leur surface des canaux de refroidissement parcourus par un fluide, et que l'influence de chaque canal sur la température superficielle locale du cylindre puisse être discriminée. REVENDICATIONS 1) Procédé de fabrication de bandes minces métalliques par solidification de métal liquide sur la surface d'un cylindre en rotation ou entre les surfaces de deux cylindres a axes horizontaux mis en rotation en sens contraires, le ou lesdits cylindres comportant chacun au voisinage de leur surface une multiplicité de canaux parcourus par un fluide de refroidissement, caractérisé en ce que, pour chacun desdits cylindres en rotation, on mesure ponctuellement en continu sa température superficielle dans une zone o sa surface est à l'air libre, on détermine les moments auxquels ladite zone de mesure se trouve face à l'un desdits canaux, et on déduit de ladite mesure une appréciation sur la qualité de la circulation dudit fluide de refroidissement dans ledit canal. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on déduit ladite appréciation sur la qualité de la circulation dudit fluide de refroidissement dans ledit canal à partir d'une pluralité de mesures de la température superficielle du cylindre à l'aplomb dudit canal réalisées lors de plusieurs tours consécutifs du cylindre. 3) Installation de coulée continue de bandes métalliques (13) par solidification de métal liquide (6) sur la surface d'un cylindre en rotation ou entre les surfaces (2, 2') de deux cylindres (1, 1') à axes horizontaux mis en rotation en sens contraires, le ou lesdits cylindres (1, 1') comportant chacun au voisinage de leur surface (2, 2') une multiplicité de canaux (10, 10') parcourus par un fluide de refroidissement, caractérisé en ce qu'elle comporte, pour chacun desdits cylindres (1, 1'), au moins un instrument de mesure en continu de sa température superficielle dans une zone de mesure ponctuelle o ladite surface (2, 2') est à l'air libre, des moyens pour déterminer les moments auxquels ladite zone de mesure se trouve face à l'un desdits canaux (10, 10') et pour identifier ce canal (10, 10'), et des moyens (15, 15') pour déduire, à partir des mesures et des déterminations précédentes, des informations représentatives de la qualité de la circulation du fluide de refroidissement dans ledit canal (10, 10'). 4) Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit instrument de mesure de la température superficielle du cylindre est un instrument de mesure sans contact tel qu'un pyromètre optique (14, 14'). 6) Installation selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que lesdits moyens (15, 15') pour déduire des informations représentatives de la qualité de la circulation du fluide de refroidissement dans ledit canal (10, 10') sont connectés à des moyens pour exécuter des actions visant à améliorer ladite circulation.