Brevet FR2835208A3 — publié le 20030801

FR 2835208 A3 20030801 FR 0200949 A 20020128 Procédé de coulée continue des métaux en lingotière oscillante. La présente invention concerne la coulée continue des métaux, notamment de l'acier, en lingotière oscillante verticalement. Il est bien connu de couler de l'acier en continu en déversant dans une lingotière de forme générale tubulaire, du métal en fusion qui se refroidit et se solidifie progressivement au contact des parois énergiquement refroidies de la dite lingotière. Le métal liquide est classiquement amené dans la lingotière par une busette équipant le fond d'un répartiteur contenant le métal en fusion et pourvue d'un obturateur, classiquement une quenouille ou un obturateur à tiroir. La solidification du métal coulé commence dès que le métal liquide entre en contact avec les parois de la lingotière, classiquement en cuivre et énergiquement refroidies par une circulation d'eau interne. Ce premier contact a lieu généralement dès le ménisque qui se forme en bordure de la surface du bain de métal liquide contenu dans la lingotière, et donne lieu à la formation d'une mince peau de métal solidifié au contact des parois refroidies, l'épaisseur de cette peau croissant progressivement au cours de la descente du produit coulé, par suite de la poursuite du refroidissement généré par la lingotière. Le produit coulé, au moins partiellement solidifié, est extrait en continu de la lingotière vers le bas, et il subit classiquement un refroidissement complémentaire sous la lingotière, généralement par aspersion d'eau, pour poursuivre et achever la solidification du métal. La vitesse d'extraction du produit coulé, couramment appelée vitesse de coulée Vc, typiquement de l'ordre de 10 à 30 mm/s par exemple, est déterminée par la vitesse des rouleaux d'extraction situés sous la lingotière, ces rouleaux d'une part soutenant la surface solidifiée du produit coulé, et d'autre part assurant l'entraînement du produit vers le bas. Par ailleurs, il est connu, et couramment utilisé, d'animer la lingotière d'un mouvement oscillant sensiblement vertical, c'est-à-dire orienté selon la direction d'extraction. Ce mouvement oscillant est notamment destiné à faciliter le glissement du produit coulé par rapport aux parois internes de la lingotière, pour éviter des accrochages de la peau partiellement solidifiée du produit sur les dites parois refroidies, et permettre ainsi une extraction du produit à une vitesse de coulée Vc constante. Le mouvement d'oscillation de la lingotière est généralement sinusoïdal ou sensiblement sinusoïdal, de fréquence f de l'ordre de 1 à 4 Hz par exemple, et d'amplitude totale, crête à crête, 2A, de l'ordre de quelques millimètres, 6 à 10 mm par exemple. Les paramètres de coulée et notamment les paramètres d'oscillations sont déterminés de manière que, au cours du cycle d'oscillation, la vitesse descendante de la lingotière est supérieure à la vitesse de coulée pendant une durée appelée"temps de stripage négatif" TSN. Pendant ce temps, la vitesse de la lingotière est donc supérieure notamment à la vitesse de défilement de la peau de métal solidifié. La lingotière tend donc à pousser la dite peau vers le bas en la comprimant, et la résistance de celle-ci à cette poussée conduit à générer un glissement relatif entre la paroi de la lingotière et la peau solidifiée, propre à rompre les liens éventuels d'un début de collage du métal coulé sur la dite paroi de la lingotière. Ainsi, lors de la remontée de la lingotière, on facilite le glissement relatif des parois de la lingotière par rapport à la peau solidifiée du métal coulé, et on évite que ce mouvement ascendant crée des arrachements localisés de la dite peau solidifiée, encore très fragile à proximité du ménisque, de tels arrachements pouvant créer des fissurations de la dite peau, avec au moins des défauts de surface ultérieurs, sinon même des percées comme on le verra par la suite. Le temps de stripage négatif TSN peut être calculé en fonction des valeurs de Vc, f, 2A, en utilisant la formule suivante : TSN est en s f, en Hz 2A, enmm Vc, enmm/s L'expérience a montré que le temps de stripage négatif TSN est un paramètre critique vis-à-vis des risques de fissuration transversale de la peau métallique au tout début de sa formation. Les spécialistes ont donc cherché à définir des règles auxquelles devait répondre le temps de stripage négatif pour assurer une coulée et un produit exempts de défauts. Une de ces règles, simple et très répandue, consiste à maintenir la valeur de TSN supérieure à une valeur seuil TSN* prédéterminée. En effet, pendant le stripage négatif, la lingotière avance plus vite que le produit coulé, et en conséquence la peau du produit en cours de solidification n'est pas sollicitée en traction. Un temps de stripage négatif suffisant permet donc de garantir une consolidation suffisante de la peau, par une solidification assurée alors que le métal est soumis à des contraintes de compression, ce qui évite donc des "saignements", c'est-à-dire des passages de métal liquide entre des zones de peau déjà solidifiée, et les collages subséquents. La valeur seuil TSN* dépend notamment de la nature du métal coulé, cependant l'expérience industrielle a montré que, pour les aciers, cette valeur seuil se situe toujours au voisinage de 0.1 seconde. Le temps de stripage négatif TSN étant une fonction des paramètres d'oscillation tels que la fréquence f et l'amplitude 2A, et de la vitesse de coulée Vc, le respect de la règle TSN > TSN* pendant toutes les phases de coulée et pour toutes les vitesses de coulée Vc utilisées nécessite de pouvoir ajuster en cours de coulée les paramètres d'oscillation à la vitesse de coulée instantanée. Avec les technologies classiques d'oscillations entièrement mécaniques, seule la fréquence f peut pratiquement être ajustée en cours de coulée. Depuis le développement d'oscillations commandées par vérin hydraulique, tous les paramètres d'oscillation peuvent être ajustés en temps réel. On connaît par exemple, par le document JP-A- 10005956, un procédé de coulée continue selon lequel on conserve un temps de stripage négatif suffisant dans un procédé de coulée où le mouvement d'oscillation est déterminé de manière que, dans chaque cycle, le temps de descente de la lingotière soit plus long que le temps de remontée. On connaît aussi, par le document JP-A-10128511, une méthode visant à conserver un tel temps de stripage négatif lors d'un procédé de coulée à vitesse élevée. Pour cela, il est proposé par ce document de faire varier la vitesse de coulée selon une loi sinusoïdale de même période que celle des oscillations de la lingotière, mais en opposition de phase avec celle-ci, de manière que, même si la vitesse moyenne de coulée est supérieure à la vitesse maximale de la lingotière, cette vitesse de la lingotière puisse être plus importante que celle du produit coulé au moins pendant un certain temps, lorsque la vitesse de coulée est minimale au cours de ses variations sinusoïdales, assurant ainsi à chaque période d'oscillation le temps de stripage négatif recherché. Toutefois, il a aussi été constaté que, malgré le respect des règles évoquées ci-dessus, des défauts graves de même type que ceux résultants d'un temps de stripage négatif insuffisant apparaissaient encore et pouvaient même conduire à des percées. La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes, et vise en particulier à améliorer la qualité des produits coulés et à éviter les problèmes aux conséquences lourdes résultants de collages de la peau solidifiée sur les parois de la lingotière et des percées subséquentes. Elle vise en particulier à proposer une méthode permettant d'éviter ces problèmes en adaptant au mieux les paramètres de coulée aux circonstances effectives de la coulée. Elle vise enfin à avertir le plus rapidement possible dans le cas où une telle adaptation des paramètres de coulée ne serait pas possible ou n'aurait pas pu être correctement effectuée, de manière à donner une indication sur les risques encourus par suite d'un tel défaut d'adaptation, et éventuellement provoquer un arrêt de coulée avant que des percées surviennent. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de coulée continue des métaux en lingotière selon lequel on fait osciller la lingotière selon un mouvement défini par une loi sensiblement sinusoïdale d'amplitude 2A et de fréquence f, on entraîne le produit coulé extrait de la lingotière à une vitesse de coulée absolue VC, et on détermine les paramètres de coulée 2A, f et VC de manière que la vitesse descendante de la lingotière soit supérieure à la vitesse de coulée pendant au moins une durée minimale prédéterminée TSN*. Selon l'invention, ce procédé est caractérisé en ce qu'on détermine en permanence la vitesse instantanée dn/dt de déplacement ascendant du niveau de la surface du métal liquide en lingotière, on calcule en permanence à partir de cette vitesse dn/dt et des autres paramètres de coulée, pour chaque cycle d'oscillation de la lingotière, un temps de stripage négatif réel TSNréel représentant le temps réel pendant lequel, au cours d'un cycle d'oscillation de la lingotière, la vitesse descendante de la lingotière est supérieure à la vitesse relative du produit coulé par rapport au niveau de métal liquide en lingotière, on compare le temps de stripage négatif réel TSNréel à une valeur de seuil de durée minimale prédéterminée TSN*, et, en fonction du résultat de cette comparaison, on commande soit des actions correctives pour maintenir le temps de stripage négatif réel TSNréel supérieur à la dite valeur de seuil prédéterminée TSN*, soit des alarmes. Selon la présente invention, on ne détermine donc pas le temps de stripage négatif, pris en compte dans la formule mentionnée préalablement et utilisée conformément à l'art antérieur pour ajuster les paramètres de coulée, comme étant la seule durée pendant laquelle la vitesse de la lingotière est supérieure à la vitesse de coulée, mais la durée pendant laquelle la vitesse de la lingotière est supérieure à la vitesse d'éloignement de la première peau solidifiée par rapport au ménisque de métal liquide en lingotière. L'expérience a en effet montré un lien entre les défauts subsistants malgré le respect des règles classiques relatives au temps de stripage négatif, et des fluctuations importantes de niveau de métal liquide en lingotière, donc de la position effective du ménisque. De telles fluctuations de forte amplitude résultent notamment des oscillations résonantes que le niveau peut subir suite à des phénomènes de déstabilisation de l'alimentation en métal liquide, par exemple suite à un événement quelconque nécessitant un déplacement brusque de la quenouille du répartiteur, pour maintenir le débit de métal liquide. Au cours de telles oscillations, les variations de niveau peuvent atteindre plusieurs dizaines de millimètres, par exemple de 30 à 50 mm, et la vitesse de montée de la surface du métal liquide peut devenir relativement très importante, par exemple de l'ordre de 10 à 35 mm/seconde, soit du même ordre que la vitesse de coulée Vc. Or une telle montée du niveau du métal liquide conduit aussi à une montée de la ligne marquant le tout début de solidification du métal au contact des parois de la lingotière, c'est-à-dire à une montée de la zone d'amorçage de la première peau solidifiée. De ce fait, la vitesse de la peau solidifiée à prendre en compte, c'est- à-dire sa vitesse par rapport au ménisque, est en fait la combinaison de la vitesse de coulée avec la vitesse de montée du niveau. Et le temps de stripage négatif réel, au cours duquel il y a un réel effet de poussée de la peau en formation vers le bas, est le temps pendant lequel la vitesse de descente de la lingotière est supérieure à la vitesse relative de la peau par rapport au ménisque, c'est à dire la somme de la vitesse de coulée et de la vitesse de montée du niveau. Selon l'invention, on prend donc en compte les variations de niveau, et plus particulièrement leur vitesse, pour déterminer un temps de stripage négatif réel, qui correspond plus exactement à la véritable durée pendant laquelle la peau de métal, qui commence juste à se solidifier au contact des parois de la lingotière, est soumise à une compression dans le sens de l'avancée du produit coulé. Le temps de stripage négatif réel TSNréel est calculé par la formule On peut alors, en permanence au cours de la coulée, déterminer le temps de stripage négatif réel et ajuster les paramètres de coulée de manière que le dit temps de stripage négatif réel TSNréel soit en permanence supérieur à la dite durée prédéterminée. Ainsi, selon l'invention, on peut adapter continûment les paramètres de coulée, principalement la fréquence et l'amplitude des oscillations de la lingotière, au cours de la coulée, pour prendre en compte l'influence du niveau de métal en lingotière, et plus précisément ses variations et les variations correspondantes du niveau précis où la solidification du métal liquide s'initie au contact des parois refroidies de la lingotière. Toutefois, une telle régulation a forcément des limites pratiques, car les paramètres de coulée ne peuvent pas toujours être ajustés de manière à satisfaire au critère ci-dessus mentionné d'un temps de stripage négatif réel supérieur au dit seuil. En effet, même avec des systèmes d'oscillation performants, la fréquence et l'amplitude des oscillations de la lingotière ne peuvent être fixées en dehors de certaines fourchettes dépendant des caractéristiques de l'ensemble de l'installation de coulée. Aussi, selon un mode de mise en oeuvre particulier, complémentaire ou alternatif à la régulation mentionnée ci-dessus, on détermine le temps de stripage négatif réel en permanence au cours de la coulée et, dès lors qu'il passe, même temporairement, en-dessous d'un seuil prédéterminé, on ralentit ou arrête l'extraction du produit coulé, puis on reprend la coulée à vitesse ralentie pendant une durée prédéterminée avant de reprendre la vitesse de coulée de consigne. Il a été constaté expérimentalement que la vitesse de propagation d'une déchirure de la peau solidifiée, ainsi amorcée suite à un collage résultant d'un temps de stripage négatif insuffisant, était de l'ordre de 0,6 fois la vitesse de coulée. Pour éviter qu'une telle déchirure parvienne en bas de la lingotière, avec un fort risque de percée, et donc pour éviter une telle percée, il est nécessaire que l'arrêt de l'extraction du produit coulée intervienne impérativement dans un certain délai, inférieur au temps nécessaire pour qu'une telle déchirure se propage jusqu'à la sortie de la lingotière. On peut donc, connaissant la vitesse de coulée et le moment de détection d'un temps de stripage négatif réel inférieur au seuil prédéfini, évaluer une durée estimée avant percée, et agir sur la coulée, notamment sur l'extraction, pour arrêter l'avancée du produit coulé dans les secondes suivant la détection de l'atteinte du seuil, permettre ainsi sa consolidation dans la lingotière, et redémarrer ensuite à une vitesse adaptée, inférieure à la vitesse de régime normal. Une telle réaction en cas de dépassement du seuil prédéfini par le temps de stripage négatif réel, est du même type que les actions couramment menées en cas d'alarme fournie par des thermocouples anti-percées équipant les lingotières de coulée continue, bien connus dans le domaine. Par rapport à ces systèmes de thermocouples, l'invention présente notamment l'avantage de ne nécessiter aucune installation de capteurs supplémentaires sur la lingotière, puisque la mesure de niveau existe actuellement sur toutes les lingotières, et que tous les autres paramètres de coulée sont également connus. Le traitement de ces données pour obtenir le temps de stripage négatif réel à partir des signaux ou des données vitesse de coulée, niveau du bain de métal liquide en lingotière, paramètres d'oscillation peut être réalisé très facilement par un calculateur simple et donner un temps de réponse particulièrement bref. Dans le cas où la lingotière est cependant déjà équipée de thermocouples anti-percées, l'utilisation simultanée de ce système et de la présente invention permet de réduire fortement les fausses alarmes dues aux seuls thermocouples. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un mode de mise en oeuvre de l'invention. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une lingotière de coulée continue d'acier, - la figure 2 est un graphique représentant la vitesse de la lingotière en fonction du temps, et illustrant la différence entre le temps de stripage négatif tel qu'il résulterait de la technique antérieure et le temps de stripage négatif réel selon la présente invention. Sur le dessin de la figure 1, on a représenté seulement partiellement la partie haute d'une installation de coulée continue, qui comporte notamment une lingotière 10, énergiquement refroidie de manière connue en soi, et animée d'un mouvement d'oscillation de fréquence f et d'amplitude 2A, sensiblement vertical selon la flèche F1, par exemple par un vérin hydraulique, non représenté. Le métal coulé 2 est amené dans l'espace de coulé défini entre les parois de la lingotière par une busette 11 dont l'extrémité inférieure est immergée dans le bain de métal en fusion surmonté, de manière connue, par un laitier 25 de lubrification et d'isolation thermique et chimique. Le métal coulé se solidifie au contact des parois de la lingotière, en commençant par former au niveau du ménisque 21 de minces peaux solidifiées 22, dont l'épaisseur croit progressivement vers le bas pour former les parois du produit coulé 23, suite à la poursuite du refroidissement exercé par la lingotière lorsque le produit coulé est extrait de la lingotière, vers le bas, par des rouleaux extracteurs 3 situés sous la dite lingotière et entraînés en rotation pour communiquer au produit une vitesse de coulée Vc prédéterminée. Le niveau de métal liquide est régulé pour être maintenu normalement à un niveau de consigne, en jouant sur le débit de métal liquide grâce à un obturateur, de type connu, équipant le répartiteur sur lequel est raccordée la busette 11. Des capteurs de niveau 4 pour mesurer l'altitude de la surface 24 du bain de métal coulé sont prévus à cet effet, et reliés à un calculateur 5 adapté notamment pour calculer en permanence la vitesse instantanée dn/dt des variations de niveau de la dite surface 24 ou du ménisque 21. Le calculateur permet également de calculer en temps réel, tout au long de la coulée, le temps de stripage négatif réel par la formule : TSN est en s f, en Hz 2A, en mm Vc, enmm/s dn, enmm/s dt Le calculateur peut ensuite comparer la valeur instantanée de TSNréel à une valeur de seuil prédéterminée TSN*, par exemple 0,1 s, et commander une adaptation des paramètres de coulée 2A et f pour que TSN, éel reste supérieur à TSN*. Le graphique de la figure 2 illustre le temps de stripage négatif TSN tel qu'il serait déterminé selon l'art antérieur, c'est-à-dire le temps pendant lequel la vitesse descendante de la lingotière est supérieure à la vitesse de coulée Vc. En pointillé, on a représenté la variation réelle en fonction du temps de la vitesse relative Vc + dn/dt de la peau solidifiée par rapport au niveau du métal coulé, lors d'une perturbation provoquant une variation de ce niveau. On constate bien que le temps de stripage négatif réel TSNréel est inférieur à TSN. A titre d'exemple numérique, on a considéré une opération de coulée continue d'acier inoxydable pour laquelle la vitesse d'extraction Vc est de 0,8 à 1,2 m/minute, soit 13 à 20 mm/s. Une vitesse ascendante du niveau d'acier liquide supérieure à 11 mm/s conduit de façon reproductible à des collages et percées, même si cette variation de niveau est très fugitive, de quelques dixièmes de secondes par exemple. Les fréquences d'oscillation se situant, pour la coulée d'aciers, dans la gamme de 1 à 4 Hz, le collage peut apparaître dès que le temps de stripage négatif réel descend en-dessous de TSN* pendant un seul cycle d'oscillation, soit sur une durée de 0,25 à 1 seconde. Pour une vitesse de coulée de 13,5 mm/s, et une longueur utile de lingotière de 600 mm (soit la distance entre la position de consigne du ménisque et l'extrémité inférieure de la lingotière) le délai pour arrêter l'extraction à partir de la signalisation du dépassement du seuil par TSN est inférieur à 74 s. On a constaté dans un cas réel correspondant à ces conditions mais sans arrêt de l'extraction, qu'une percée est effectivement survenue 73 secondes après la signalisation d'un collage. REVENDICATIONS 1. Procédé de coulée continue des métaux en lingotière selon lequel on fait osciller la lingotière (10) selon un mouvement défini par une loi sensiblement sinusoïdale d'amplitude 2A et de fréquence f, on entraîne le produit coulé (23) extrait de la lingotière à une vitesse de coulée absolue Vc, et on détermine les paramètres de coulée 2A, f et Vc de manière que la vitesse descendante de la lingotière soit supérieure à la vitesse de coulée pendant au moins une durée minimale prédéterminée TSN*, caractérisé en ce que on détermine en permanence la vitesse instantanée dn/dt de déplacement ascendant du niveau (24) de la surface du métal liquide (2) en lingotière, on calcule en permanence à partir de cette vitesse dn/dt et des autres paramètres de coulée, pour chaque cycle d'oscillation de la lingotière, un temps de stripage négatif réel TSNréel représentant le temps réel pendant lequel, au cours d'un cycle d'oscillation de la lingotière, la vitesse descendante de la lingotière est supérieure à la vitesse relative du produit coulé par rapport au niveau de métal liquide en lingotière, on compare le temps de stripage négatif réel TSNréel à une valeur de seuil de durée minimale prédéterminée TSN*, et, en fonction du résultat de cette comparaison, on commande soit des actions correctives pour maintenir le temps de stripage négatif réel TSNréel supérieur à la dite valeur de seuil prédéterminée TSN*, soit des alarmes. 2. Procédé de coulée continue des métaux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on calcule le temps de stripage négatif réel TSNréel selon la formule 3. Procédé de coulée continue des métaux selon la revendication 1, caractérisé en ce que on détermine les paramètres de coulée 2A, f et VC en permanence au cours de la coulée de manière que le temps de stripage négatif réel TSNréel soit en permanence supérieur à la dite durée minimale prédéterminée. 4. Procédé de coulée continue des métaux selon la revendication 1, caractérisé en ce que, si le temps de stripage négatif réel TSNréel devient inférieur à la dite durée minimale prédéterminée, on ralentit ou arrête l'extraction du produit coulé, au moins temporairement. 5. Procédé de coulée continue des métaux selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de seuil TSN* est de 0. 1 seconde environ.