Brevet FR2859929A1 — publié le 20050325

La présente invention concerne un procédé de démarrage automatique d'une installation de coulée continue, ainsi qu'un ensemble pour la mise en uvre d'un tel procédé. De façon classique, une opération de coulée continue consiste, dans un premier temps, à déverser du métal fondu dans une cuve, encore dénommée répartiteur, à partir d'une poche. Cette cuve se trouve en outre pourvue d'un obturateur, encore appelé quenouille. Lorsque le métal fondu a atteint un niveau donné dans la cuve, il s'agit alors de le déverser dans une lingotière, sous l'effet d'un mouvement de libération de l'obturateur. Ceci induit alors une phase de remplissage de la lingotière, jusqu'à ce que soit atteint un niveau donné de consigne. Par ailleurs, lors de cette phase de remplissage, il s'agit de déplacer un organe mobile, encore dénommé mannequin, initialement présent dans la lingotière. De la sorte, ceci permet d'initier une étape d'extraction du métal, une fois ce dernier solidifié. La durée de la phase de remplissage précitée doit se situer dans une plage prédéterminée, qui est relativement étroite. De plus, cette phase de remplissage doit s'accompagner d'une montée permanente du niveau de métal fondu, au sein de la lingotière. Dans l'état de la technique connue, le démarrage de la coulée est réalisée de façon manuelle. Ainsi, l'opérateur observe la montée du métal, lors du remplissage de la lingotière. Il peut être amené, le cas échéant, à modifier l'ouverture de la quenouille, en fonction de l'évolution de la montée, constatée par ses soins. Une telle mise en uvre manuelle présente cependant certains inconvénients. En effet, outre son relatif manque de répétitivité, elle nécessite l'intervention d'au moins un opérateur. Or, il s'agit là d'un poste très exposé, qui justifie à lui seul de conférer un caractère automatique à ce démarrage de coulée continue. Ceci étant précisé, l'invention vise à fournir un procédé de démarrage d'une installation de coulée continue 5 qui, tout en présentant une fiabilité satisfaisante, puisse faire l'objet d'une automatisation. A cet effet, elle a pour objet un procédé de démarrage automatique d'une installation de coulée continue, dans lequel on déverse du métal fondu dans une lingotière, à partir d'une cuve, par déplacement d'un obturateur, la lingotière étant munie d'un organe mobile d'extraction, formant un fond de cette lingotière, ce procédé comprenant les étapes suivantes. - on détermine l'évolution en fonction du temps 15 du niveau de la surface du métal fondu dans la lingotière; - on en déduit une valeur instantanée du débit de métal fondu déversé dans la lingotière; - on vérifie que cette valeur instantanée appartient à une plage admissible de débit; et - on modifie le cas échéant cette valeur instantanée, si cette dernière est située en dehors de ladite plage admissible. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - on modifie la valeur instantanée du débit en 25 modifiant la position de l'obturateur; - on mesure l'évolution de la montée de la surface du métal fondu par l'intermédiaire de moyens réagissant à l'intensité lumineuse; - les moyens réagissant à l'intensité lumineuse 30 comprennent au moins une caméra; il est prévu deux caméras, dont les faisceaux sont dirigés vers des parois latérales opposées de la lingotière; - on dispose, au-dessus de la surface supérieure de l'organe mobile, un moyen de détection de la présence du métal fondu, et on remonte successivement ce moyen de détection, à chaque fois que la surface du métal fondu entre en contact avec celui-ci; - le moyen de détection est un fil conducteur; - avant de déterminer l'évolution du niveau de la surface du métal fondu dans la lingotière, on détermine la vitesse à laquelle le métal fondu recouvre la surface supérieure de l'organe mobile d'extraction, on vérifie que cette vitesse instantanée de recouvrement appartient à une plage admissible prédéterminée, et on corrige le cas échéant le débit de métal fondu admis dans la lingotière; - on détermine cette vitesse instantanée de recouvrement en dirigeant, vers la surface supérieure de l'organe mobile d'extraction, un moyen réagissant à l'intensité lumineuse, tel qu'une caméra ou une cellule optique; - on détecte l'arrivée du niveau de la surface de métal fondu à un seuil prédéterminé, on émet un signal correspondant et on recouvre cette surface de métal fondu au moyen d'une poudre de lubrification. L'invention a également pour objet un ensemble pour la mise en uvre du procédé tel que défini ci-dessus, 25 caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de détermination de l'évolution, en fonction du temps, du niveau de la surface du métal fondu dans la lingotière; - des moyens de calcul de la valeur instantanée 30 du débit du métal fondu; - des moyens permettant de vérifier que cette valeur instantanée appartient à une plage admissible de débit; et - des moyens de modification de cette valeur instantanée, dans l'hypothèse où cette dernière n'appartient pas à ladite plage admissible. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - les moyens de modification comprennent une ligne de commande, s'étendant entre les moyens de vérification et un actionneur de l'obturateur; - les moyens de calcul et de vérification comprennent un calculateur; - les moyens de détermination comprennent des moyens réagissant à l'intensité lumineuse, notamment une caméra ou une cellule optique; - les moyens de détermination comprennent un moyen de détection de la présence du métal fondu, notamment 15 un fil conducteur; - il est en outre prévu des moyens de traction, aptes à remonter le moyen de détection au fur et à mesure de la montée du métal fondu dans la lingotière. L'invention va être décrite ci-après, en référence aux 20 dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels: - la figure 1 est une vue générale, illustrant une installation de coulée continue conforme à un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1, illustrant la phase initiale du démarrage de l'installation de coulée continue; - les figures 3A et 3B sont des vues schématiques, illustrant deux images prises par une caméra 30 lors de cette phase initiale du démarrage; - les figures 4A et 4B sont des vues analogues à la figure 1, illustrant une phase ultérieure du démarrage de l'installation de coulée continue; - les figures 5A et 5B sont des vues schématiques, analogues aux figures 3A et 3B, illustrant deux images d'une caméra prises durant cette phase ultérieure du démarrage; - la figure 6 est un graphe représentant l'évolution du niveau de la surface du métal fondu en fonction du temps, lors du démarrage de la coulée continue, ce graphe étant obtenu par mise en uvre de l'installation de la figure 1; - la figure 7 est une vue analogue à la figure 1, illustrant une installation de coulée continue conforme à une variante de réalisation de l'invention; et - la figure 8 est un graphe, analogue à la figure 6, obtenu par mise en uvre de l'installation de la figure 15 7. L'installation de coulée continue, illustrée sur la figure 1, comprend une cuve 2, qui se trouve remplie de métal fondu 4, par exemple d'acier. Ce dernier a été déversé dans la cuve, au moyen d'une poche non représentée. Le fond de cette cuve est fermé, de façon connue, par un obturateur 6, encore dénommé quenouille, qui définit une zone inférieure de passage du métal, dénommée busette 8. Cette quenouille peut être man uvrée selon son axe principal, à savoir verticalement sur la figure 1, par l'intermédiaire d'un actionneur 10, de type connu en soi. La busette 8 se prolonge par un tube 12, réalisé en matériau réfractaire, qui plonge dans une lingotière 14. Cette dernière est pourvue d'un organe mobile 16, encore dénommé mannequin, qui est destiné de façon classique à être progressivement retiré, afin d'assurer l'extraction d'une barre provenant de la solidification du métal déversé dans cette lingotière 14. On conçoit donc que, pendant la phase de démarrage de la coulée continue, la surface supérieure 16' du mannequin 10 2859929 6 16 forme un fond de la lingotière 14. Ce mannequin 16 est également creusé, de manière connue, d'une cavité 18 permettant l'accrochage, par le mannequin, de la barre de métal une fois solidifiée. La surface inférieure de la cuve 2 est pourvue d'un support 20, qui reçoit une caméra par exemple de type CCD (Charged Coupled Device), ou de type CMOS, désignée dans son ensemble par la référence 22. Cette caméra 22 est reliée, via une ligne 24, à un calculateur 26 de type classique, représenté schématiquement, qui est lui-même relié, via une ligne de commande 28, à l'actionneur précité 10. Cet ensemble caméra et calculateur est chargé, d'une part, d'aider à la visualisation de l'intérieur de la lingotière en affichant l'image en temps réel du bain de métal en fusion et, d'autre part, d'opérer des mesures par analyse en temps réel des images, afin de quantifier l'évolution du remplissage de la lingotière pour permettre une automatisation en boucle fermée (mesure, contrôle, action) du processus de remplissage. L'analyse en temps réel des images peut également être réalisée dans un processeur intégré à la caméra ou dans le calculateur. Le faisceau 22' de cette caméra 22 se trouve dirigé vers le fond de la lingotière, à savoir la surface supérieure 16' du mannequin 16, ainsi que vers les parois latérales de cette lingotière 14. La mise en uvre de l'installation de coulée continue, décrite ci-dessus, va maintenant être explicitée dans ce qui suit. Il s'agit tout d'abord d'ouvrir la quenouille 6, de façon à admettre du métal fondu dans la lingotière 16. Cette ouverture est opérée selon l'enseignement de la demande de brevet français 02 09765, déposée le 31 juillet 2002, dont le contenu est incorporé par référence dans la présente description. La figure 2 illustre l'installation de coulée continue, dans la phase initiale de son démarrage. Ceci correspond à un stade, dans lequel le métal fondu recouvre partiellement, mais non complètement, la surface supérieure 16' du mannequin 16. Ceci est dû au fait que le métal fondu met un certain temps pour recouvrir toute la surface supérieure 16', étant donné notamment la présence de la cavité 18, qui est préférentiellement remplie, car située au-dessous de cette surface 16'. On conçoit que, en l'absence de métal fondu, l'image de la caméra 22 est entièrement sombre, étant donnée qu'elle prend uniquement en compte le fond et les parois de la lingotière. L'apparition des premières gouttes de métal fondu induisent la formation, au niveau de l'image de la caméra, de tâches claires aisément détectables. Au fur et à mesure du recouvrement de la surface supérieure 16' par ce métal fondu, on conçoit donc que la surface de ces tâches claires devient de plus en plus grande. De plus, à la fin de cette étape de recouvrement, l'image de la surface supérieure 16' du mannequin 16 est entièrement claire, puisque le métal fondu occupe toute cette surface 16'. Dans ces conditions, conformément à l'invention, il s'agit de vérifier que cette phase de recouvrement du fond 16' s'effectue de façon correcte, à savoir à une vitesse comprise dans une plage acceptable. A cet effet, cette plage acceptable est déterminée par une phase préalable d'apprentissage, dont le résultat dépend notamment du type considéré d'installation, ainsi que de la taille de la lingotière. La phase initiale de mesure de la vitesse de recouvrement peut durer de 1 à 5 secondes environ, selon la taille de la lingotière et les conditions d'écoulement du métal depuis la busette. Si les conditions d'écoulement sont suffisantes, la surface est rapidement couverte, après environ 1 seconde. En revanche, si ces conditions ne sont pas satisfaisantes, la phase de recouvrement peut durer plusieurs secondes, ce qui peut être révélateur d'un débit de métal trop faible, qu'il faut rapidement compenser par une ouverture plus importante de la quenouille, évitant ainsi le figeage du métal dans la busette. Puis, une fois cette plage acceptable obtenue, le calculateur détermine la vitesse de recouvrement du fond, à partir des images de çe dernier fournies par la caméra 22. Afin d'illustrer la mise en oeuvre de cette phase initiale du démarrage, on a représenté aux figures 3A et 3B deux images successives du fond 16'. Sur ces figures 3A et 3B, ainsi que sur celles 5A et 5B décrites plus loin, les zones hachurées correspondent à la présence de métal fondu, qui se traduit par des taches claires au niveau de l'image de la caméra. En revanche, sur ces figures, les zones vierges, laissées en blanc, correspondent à l'absence de métal fondu, qui se traduit par des taches sombres au niveau de la caméra. Sur ces différentes figures, la ligne L1 correspond à la limite supérieure de la lingotière, la ligne L2 correspond à la limite du fond 16' de la lingotière, alors que la zone 12' correspond à l'image du tube 12. A la figure 3A, le fond 16' est recouvert à environ 50% par le métal fondu, ce qui correspond à une région M1 au niveau de l'image, qui occupe environ 50% de la zone 30 de l'image correspondant au fond 16'. Par ailleurs, à la figure 3B, le fond 16' est entièrement recouvert de métal fondu, de sorte que la zone 30 précitée est entièrement recouverte par une région M2 correspondant à la présence de ce métal. Si le calculateur 26 constate que la vitesse de recouvrement est en dehors de la plage acceptable précitée, il commande l'actionneur 10, par la ligne 28. De la sorte, cet actionneur 10 modifie la position de la quenouille 6, de manière à augmenter ou à réduire le débit, selon que la vitesse de recouvrement est trop faible ou trop importante. Puis, lorsque le fond 16' est entièrement recouvert par ce métal fondu, et que la cavité 18 est complètement remplie, il s'agit de mettre en uvre une phase ultérieure du démarrage de la coulée continue. Lors de celle-ci, on surveille la montée du niveau de métal fondu le long des parois latérales de la lingotière, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit. Les figures 4A et 4B, qui sont analogues à la figure 1, illustrent deux étapes successives du remplissage de la lingotière par le métal fondu. A la figure 4A, la surface 4' se trouve à une première hauteur référencée H' alors que, à la figure 4B, la surface 4" de métal fondu se trouve à une hauteur H " , dont la valeur est supérieure à celle de H'. Les figures 5A et 5B illustrent deux images de la caméra 22, correspondant aux situations respectives des figures 4A et 4B. Ainsi, à la figure 5A, la surface supérieure de la région M3, correspondant à la présence de métal fondu, se trouve à une hauteur h', représentative de la hauteur H' à laquelle se situe le métal fondu à la figure 4A. De la même manière, à la figure 5B, la région M4 visible sur l'image de la caméra présente une hauteur h " , supérieure à h', correspondant au niveau H" du métal fondu à la figure 4B. Dans ces conditions, en suivant pas à pas la montée du métal fondu dans la lingotière, le calculateur 26 accède à un graphe, illustré à la figure 6. Sur ce dernier, il est représenté une courbe C, qui est une fonction de la hauteur H du métal fondu en fonction du temps t. Il est à noter que l'origine de cette courbe C correspond à l'instant où le fond 16' est entièrement recouvert, et la cavité 18 est entièrement remplie. Il est alors possible au calculateur d'en déduire la variation Ac/At de cette courbe C par rapport au temps et, connaissant la section de la lingotière, d'accéder à un débit instantané du métal fondu. Ce débit instantané est calculé en faisant le rapport entre la distance parcourue par la surface de métal, et la période temporelle nécessaire au métal fondu pour parcourir cette distance. On compare alors, à chaque instant, le débit instantané ainsi calculé à une plage de débit acceptable, qui a été déterminée au préalable. Si le débit instantané n'est pas compris dans cette plage, le calculateur 26 commande l'actionneur 10, de manière à modifier l'ouverture de la quenouille 6, de façon analogue à ce qui a été décrit ci-dessus en référence à la phase initiale du démarrage. Lorsque le niveau de métal fondu atteint un seuil connu, ce qui correspond à l'information fournie par la caméra, il est émis un signal correspondant. L'opérateur recouvre alors la surface du métal au moyen d'une poudre de lubrification noire, rendant à partir de cet instant impossible toute observation du niveau par la caméra. A titre de variante de ce premier mode de réalisation, on peut prévoir de disposer deux caméras, analogues à celle 22, dont les faisceaux sont dirigés, outre vers le fond, en direction de parois opposées de la lingotière. On peut également prévoir de remplacer la ou chaque caméra par d'autres moyens réagissant à l'intensité lumineuse, tels que des cellules optiques. La figure 7 illustre une variante de réalisation de l'invention. Sur cette figure, les éléments mécaniques analogues à ceux des figures 1 à 6 y sont affectés des mêmes numéros de référence, augmentés de 100. Dans cette variante, la caméra 22 est remplacée par un fil plongeur 122, réalisé en un matériau conducteur. Ce fil est accroché à un support 120, qui est pourvu de moyens de traction permettant de faire varier la hauteur de l'extrémité libre 122' de ce fil. Comme dans le premier mode de réalisation, ce fil 122 est relié à un calculateur 126, lui-même en communication avec l'actionneur 110 par une ligne de commande 128. En service, il s'agit de disposer tout d'abord l'extrémité libre 122' du fil 122 immédiatement au-dessus du fond de la lingotière 114, à savoir de la surface supérieure 116' du mannequin 116. A titre d'exemple, cette extrémité libre est placée à une distance d, par exemple égale à environ 5 mm, au-dessus de ce fond, en début d'opération. Puis, on déverse le métal fondu et on laisse ce dernier recouvrir entièrement le fond 116' de la lingotière, et remplir la cavité 118. Contrairement au premier mode de réalisation, il est à noter que cette phase de recouvrement s'opère sans correction éventuelle du débit de métal fondu. Puis, une fois ce recouvrement achevé, le métal fondu progresse le long des parois latérales de la lingotière 114. A un certain moment, il entre donc en contact avec l'extrémité 122' du fil conducteur 122. L'instant de ce contact est alors détecté, par circulation d'un courant entre le fil et le métal en fusion présent dans la lingotière, et se trouve mis en mémoire par le calculateur. De façon concomitante, le support 120 exerce une traction sur le fil 122, de façon à le remonter d'une valeur prédéterminée, par exemple égale à 5 mm. Le métal fondu continu alors sa montée dans sa lingotière, jusqu'à entrer à nouveau en contact avec l'extrémité libre 122'. Dans ces conditions, on conçoit que, au terme d'une succession d'étapes de remontée du fil en fonction du temps, on accède à la courbe C' de la figure 8, analogue à la courbe C de la figure 6, illustrant l'évolution du niveau H du métal fondu dans la lingotière, en fonction du temps. De manière analogue à ce qui a été décrit ci-dessus, le calculateur accède au débit instantané qu'il compare à la plage acceptable, avant de commander le cas échéant l'actionneur 110, via la ligne 128, de manière à modifier l'ouverture de la quenouille 106. L'invention permet de réaliser les objectifs précédemment mentionnés. En effet, la Demanderesse a constaté que la maîtrise du débit de métal fondu est primordiale pour assurer un démarrage satisfaisant de l'installation de coulée continue. Ainsi, un débit de métal trop faible est susceptible de provoquer un figeage du métal dans la busette, ce qui oblige à un arrêt de l'installation, avant même d'avoir initié l'extraction du métal. En revanche, un débit trop important peut se traduire fréquemment par des éclaboussures de métal liquide, susceptibles de blesser les opérateurs ou d'endommager certains constituants de l'installation de coulée continue. Dans ces conditions, selon l'invention, il s'agit d'accéder rapidement au débit d'acier sortant de la busette, afin de pouvoir éventuellement le corriger au plus tôt, lors de la phase de démarrage de la coulée continue. Or, il est impossible d'accéder directement au débit proprement dit, puisque la température régnant au voisinage du jet de métal fondu ne permet pas l'implantation d'un quelconque appareil de mesure correspondant. En revanche, le suivi de l'évolution du niveau du métal fondu, opéré conformément à l'invention, permet d'accéder de façon indirecte à ce débit, de manière à en corriger éventuellement la valeur. 14 REVENDICATIONS 1. Procédé de démarrage automatique d'une installation de coulée continue, dans lequel on déverse du métal fondu (4; 104) dans une lingotière (14; 114), à partir d'une cuve (2; 102), par déplacement d'un obturateur (6; 106), la lingotière (14; 114) étant munie d'un organe mobile d'extraction (16; 116), formant un fond de cette lingotière, ce procédé comprenant les étapes suivantes: - on détermine (par 22; 122) l'évolution en fonction du temps (figure 6; figure 8) du niveau (H) de la surface (4', 4") du métal fondu dans la lingotière; - on en déduit (par 26; 126) une valeur instantanée du débit de métal fondu déversé dans la lingotière; - on vérifie (par 26; 126) que cette valeur instantanée appartient à une plage admissible de débit; et - on modifie (par 28; 128) le cas échéant cette valeur instantanée, si cette dernière est située en dehors de ladite plage admissible. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on modifie la valeur instantanée du débit en modifiant la position de l'obturateur (6; 106). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on mesure l'évolution de la montée de la surface du métal fondu (4) par l'intermédiaire de moyens (22) réagissant à l'intensité lumineuse. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce 30 que les moyens réagissant à l'intensité lumineuse comprennent au moins une caméra (22). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est prévu deux caméras (22), dont les faisceaux sont 2859929 15 dirigés vers des parois latérales opposées de la lingotière (14). 6. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on dispose, au-dessus de la surface supérieure (116') de l'organe mobile (116), un moyen (122) de détection de la présence du métal fondu (104), et en ce qu'on remonte successivement ce moyen de détection, à chaque fois que la surface du métal fondu entre en contact avec celui-ci. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de détection est un fil conducteur (122). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, avant de déterminer l'évolution du niveau de la surface du métal fondu dans la lingotière, on détermine la vitesse à laquelle le métal fondu recouvre la surface supérieure (16') de l'organe mobile d'extraction (16), on vérifie que cette vitesse instantanée de recouvrement appartient à une plage admissible prédéterminée, et on corrige le cas échéant le débit de métal fondu admis dans la lingotière. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on détermine cette vitesse instantanée de recouvrement en dirigeant, vers la surface supérieure (16') de l'organe mobile d'extraction (16), un moyen réagissant à l'intensité lumineuse, tel qu'une caméra (22) ou une cellule optique. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on détecte l'arrivée du niveau de la surface de métal fondu à un seuil prédéterminé, on émet un signal correspondant et on recouvre cette surface de métal fondu au moyen d'une poudre de lubrification. 11. Ensemble pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens (22; 122) de détermination de l'évolution, en fonction du temps, du niveau de la surface (4', 4") du métal fondu dans la lingotière (14; 114) ; - des moyens (26; 126) de calcul de la valeur 5 instantanée du débit du métal fondu; - des moyens (26; 126) permettant de vérifier que cette valeur instantanée appartient à une plage admissible de débit; et - des moyens (28; 128) de modification de cette 10 valeur instantanée, dans l'hypothèse où cette dernière n'appartient pas à ladite plage admissible. 12. Ensemble selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de modification comprennent une ligne de commande (28; 128), s'étendant entre les moyens de vérification (26; 126) et un actionneur (10; 110) de l'obturateur (6; 106). 13. Ensemble selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que les moyens de calcul et de vérification comprennent un calculateur (26; 126). 14. Ensemble selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que les moyens de détermination comprennent des moyens réagissant à l'intensité lumineuse, notamment une caméra (22) ou une cellule optique. 15. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 25 11 à 13, caractérisé en ce que les moyens de détermination comprennent un moyen de détection de la présence du métal fondu, notamment un fil conducteur (122) . 16. Ensemble selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il est en outre prévu des moyens de traction (120), 30 aptes à remonter le moyen de détection (122) au fur et à mesure de la montée du métal fondu dans la lingotière (114).