Brevet FR2876709A1 — publié le 20060421

1. Domaine d'application de l'invention Le procédé objet de l'invention concerne les lignes verticales (ou comportant une chambre verticale) de traitement de bandes d'acier ou d'aluminium utilisant au moins une chambre verticale de chauffage ou une chambre verticale de refroidissement, telles que les lignes de traitement thermique, et en particulier les lignes de io recuit continu ou telles que les lignes de revêtement, et en particulier les lignes de revêtements métalliques ou non métalliques. Ce procédé permet de maximiser la productivité de la ligne et la qualité du produit final par une détermination des consignes de vitesse, de transfert thermique et de traction du produit traité, optimales en régime établi et en régime transitoire en évitant les plis sur la bande. 2. Etat de la technique Description générale des lignes de traitement des bandes d'acier ou d'aluminium Une chambre verticale de chauffage de traitement de bandes réalisées suivant l'état de l'art est construite suivant le principe présenté par la figure 1 sur laquelle (1) représente la chambre, (2) les rouleaux de transport, (3) la bande, (4) les éléments de chauffage. La bande (3) est chauffée dans la chambre (1) principalement par les éléments de chauffage le plus souvent constitués de tubes radiants électriques ou à combustion de gaz (4). Lors de son passage dans le four, la bande est chauffée sur ses deux faces par les éléments de chauffage situés de part et d'autre de la ligne de passe, et change de ligne de passe à chaque rouleau de renvoi. La courbe de chauffage de la bande dans le four est maîtrisée par l'indexation des différents éléments de chauffage ou groupe d'éléments de chauffage fonctionnant de façon identique. Une chambre verticale de refroidissement de traitement de bandes réalisées suivant l'état de l'art est construite suivant le principe présenté par la figure 2 sur laquelle (1') représente la chambre, (2') les rouleaux de transport, (3') la bande, (4') les éléments de refroidissement. La bande (3') est refroidie dans la chambre (1') principalement par les éléments de refroidissement le plus souvent constitués d'ensembles de soufflage de gaz à une température inférieure à la température de bande. Lors de son passage dans le four, la bande est refroidie sur ses deux faces par les éléments de refroidissement situés de part et d'autre de la ligne de passe, et change de ligne de passe à chaque rouleau de renvoi. La courbe de refroidissement de la bande dans la chambre est maîtrisée par l'indexation des différents éléments de refroidissement ou groupe d'éléments de refroidissement fonctionnant de façon identique. Productivité de la ligne & qualité du produit final La productivité de la ligne est déterminée par la capacité de chaque chambre à assurer un transfert thermique de chauffage ou de refroidissement afin d'atteindre des températures de bande à la sortie des chambres respectant des tolérances de température données. Les tolérances de température de bande sont en fait constituées de: É tolérances métallurgiques: il faut éviter de surchauffer ou de sous chauffer la bande afin de respecter un cycle thermique qui détermine les caractéristiques mécaniques finales de la bande, É tolérances process déterminées en fonction des conditions opératoires compte tenu de la configuration de la chambre, de la production et du produit à traiter. En pratique ces tolérances process sont le plus souvent déterminées par la contrainte de ne pas former des plis sur la bande (communément appelés heat buckles dans les chambres de chauffage et cool buckles dans les chambres de refroidissement. La qualité du produit final est donc fortement dépendante du respect des tolérances métallurgique, mais aussi de la non formation de plis sur la bande (c'est à dire du respect des tolérances process). En effet les plis qui peuvent entraîner des déformations permanentes non compatible avec l'usage final, des griffures lorsque les plis touchent des éléments fixes situés en ligne ou même des ruptures de bande. Les tolérances métallurgiques sont déterminées de façon fiable par l'exploitant généralement par des tests mécaniques exercés sur des échantillons de bande prélevés à la sortie de la ligne. io Formation des plis En chauffage (figure 3) : Dans l'enceinte de la chambre de chauffage (1), il existe une différence de température entre la bande (3), qui est froide, et les rouleaux (2), qui sont chauds, car placés dans un environnement chaud. Lorsque la bande (3) passe sur les rouleaux (2), elle refroidit ceux-ci par contact, dans une zone qui correspond à sa largeur. Cet effet est bien sûr plus marqué pour les premiers rouleaux. La répartition de température selon l'axe longitudinal du rouleau prend alors la forme d'une cuvette, comme montré sur la figure 3. Cette répartition de température non homogène suivant l'axe longitudinal du rouleau entraîne une dilatation différentielle ou profil thermique qui suit le même profil que le profil de température. Le profil thermique est en diabolo. En refroidissement (figure 2) : Dans l'enceinte de la chambre de refroidissement (1'), il existe une différence de température entre la bande (3'), qui est chaude, et les rouleaux (21), qui sont froids, car placés dans un environnement froid. Lorsque la bande (3') passe sur les rouleaux (2'), elle réchauffe ceux-ci par contact, dans une zone qui correspond à sa largeur. Cet effet est bien sûr plus marqué pour les premiers rouleaux. La répartition de température selon l'axe longitudinal du rouleau prend alors la forme d'un bombé, comme montré sur la figure 4. Cette répartition de température non homogène suivant l'axe longitudinal du rouleau entraîne une dilatation différentielle ou profil thermique qui suit le même profil que le profil de température. Le profil thermique est en bombé. Le profil à chaud des rouleaux en contact avec la bande est la superposition d'un profil d'usinage (c'est à dire profil à froid) et d'un profil thermique (en diabolo dans les chambres de chauffage et en bombé dans les chambres de refroidissement). Afin d'éviter des problèmes de guidage il faut absolument éviter un profil à chaud en diabolo du rouleau (cad. avec un diamètre dans l'axe de bande inférieur au diamètre vers les bords de bande) mais préférer un profil à chaud plat ou avec léger bombé (cad. avec un diamètre dans l'axe de bande supérieur au diamètre vers les bords de bande). En effet un profil diabolo n'est pas auto centreur, et lorsque la bande se déporte vers un des bords du rouleau elle n'est pas rappelée vers le centre, au contraire du profil io bombé qui est auto centreur. Ce phénomène a été largement observé lors de l'entraînement de machines tournantes par courroies plates. Pour éviter ce phénomène, les rouleaux dans les chambres de chauffage sont le plus généralement usinés avec un bombé initial, qui est suffisant pour conserver un profil à chaud avec un très léger bombé après le profil thermique du au contact de la bande et du rouleau, alors que les rouleaux dans les chambres de chauffage sont le plus généralement usinés avec un profil plat, le très léger bombé final du profil à chaud est le profil thermique du au contact de la bande et du rouleau. Le passage d'une bande sur un rouleau non cylindrique entraîne des contraintes mécaniques différentielles suivant la largeur. Lorsque ces contraintes mécaniques, superposées aux autres contraintes mécaniques (traction de bande, poids propre...) excèdent la limite élastique (ou la limite de flambage qui peut être inférieure à la limite élastique) de la bande à la température donnée, il y a formation de plis. Ce phénomène existe en régime stable bien plus en régime transitoire, en effet lorsque l'on procède à un changement de format de la bande (épaisseur et/ou largeur) et/ou à un changement de qualité (cycle thermique) de bande, elle passe alors sur des rouleaux qui ont le profil à chaud de la bande précédente, ou de la même bande dans des conditions non stabilisées. Par exemple dans une chambre de chauffage le risque de formation de pli (communément appelé "heat buckle") est d'autant plus grand que le profil du rouleau sous la bande s'éloigne d'un profil cylindrique et que la bande est chaude (elle a alors une limite élastique et une limite au flambage plus faible). Si l'on passe d'une bande étroite à une bande large, le bombé thermique à chaud initial sera trop prononcé, le bombé du rouleau sera trop prononcé 2876709 -s- et donc le risque de plis sera important. De même le passage d'une bande épaisse à une bande fine dans une chambre de chauffage présente des risques plus importants qu'un régime stabilisé. Evolution de la production Les problèmes de qualité ou de perte de productivité dus aux plis ne sont pas nouveaux, mais présentent une criticité de plus en plus importante car: i0 É Les sidérurgistes ont de plus en plus de formats (épaisseur, largeur) ou de qualité de bande (cycle thermique) à traiter. Le nombre de transitoires augmente (il n'est pas rare de changer de d'épaisseur, de largeur de bande et/ou de qualité de is bande toute des 2 à 5 bobines traitées). É Les formats des bandes évoluent vers des largeurs croissantes. Les tôles de 2000 mm de large sont courantes, alors qu'elles dépassaient peu 1600 mm il y a quelques années. Par ailleurs, l'amélioration des propriétés mécaniques finales des aciers permet d'en diminuer l'épaisseur, conduisant à une baisse du poids. Globalement le rapport largeur / épaisseur augmente donc sensiblement, d'où une plus grande sensibilité au plis. É L'apparition des nuances modernes à bas carbone, en particulier la généralisation des aciers sans interstitiels, exige pour ces aciers emboutissables un recuit à plus haute température, c'est à dire d'une bande à très faible limite élastique et à très faible limite au flambage. La baisse de résistance mécanique à haute température qui en résulte accentue encore le risque de plis. É L'apparition de chambres de refroidissements rapides directement à partir de la température de recuit accentue les profils thermiques des rouleaux générés par la bande (environnement très froid et bande chaude), É L'augmentation de productivité impose une augmentation de la vitesse impliquant une nécessité de guidage plus pointue 40 afin d'éviter les déports, Etat de l'art Des solutions ont été mises en oeuvre dans le passé, pour améliorer la productivité des lignes et la qualité des produits à traiter, on peut citer par exemple: É Des variations de la traction de bande, en baissant de façon empirique ou pseudo empirique la traction pour certains io formats ou qualités de bande. Cette méthode conduit souvent à associer à cette baisse de traction une baisse de vitesse afin de pallier au risque de déport de bande qui augmente quand la traction diminue, ce qui implique une perte de productivité. Enfin compte tenu du manque de modélisation cette méthode n'est pas totalement fiable, des risques de déport et/ou de plis subsistent ce qui entraîne des pertes de qualité et/ou de productivité. É Des capteurs de formation de plis dans les chambres sont quelquefois utilisés pour piloter la vitesse de bande (réduction de vitesse). Cette technique présente l'inconvénient de n'avoir aucune action prédictive et implique une perte de production. É Un ordonnancement de la production limitant les transitions et donc les risques de plis et par conséquent les pertes de qualité et/ou de productivité. Ce procédé est toutefois très contraignant, en effet il implique une planification des produits à traiter, qui impose un stock en amont de la ligne et allonge de ce fait les délais de réactivité à une demande de format et/ou de cycle spécifique d'un client. É L'utilisation de bobines de transition (cad non commercialisées ou déclassées) lors de transitions de format et/ou de qualité de bande à risque de plis qui évite les plis et les conséquences sur les pertes de production (casse de bande par ex.) et/ou de qualité, mais implique une perte de productivité de la ligne, É La modification du rouleau lui-même (par exemple JP 04- 06733), mais cette technique est très coûteuse et délicate à mettre en oeuvre à grande vitesse. É L'interposition d'écrans thermiques (fixes ou mobiles) entre les bords du rouleau et les tubes radiants du four (voir par exemple JP 06-228659), éventuellement complétée par un rideau de gaz d'atmosphère (JP02-282431) ou des éléments chauffants (JP63-038532). Cette technique permet certes d'agir sur la thermique du rouleau, mais nécessite la mise en oeuvre d'équipements complexes et relativement coûteux en investissement et en maintenance. En effet, les écrans seuls ne suffisent pas et restent des actionneurs passifs. i0 É Des procédés d'écrans dynamiques c'est à dire la réduction des plis formés dans la zone de chauffage des lignes de traitement en continu des bandes, par action sur le bombé thermique des rouleaux de transport, caractérisés en ce que cette modification de l'état thermique des rouleaux soit réalisée directement par la modulation du chauffage des tubes radiants situés au voisinage de ces rouleaux. Ce procédé agit sur le bombé thermique uniquement en fonction de critères empiriques déterminés par les tolérances de température globales (c'est à dire sans dissociation des tolérances métallurgiques et des tolérances process), ne pilote pas la traction de bande et de ce fait n'optimise pas la productivité de la ligne. En outre, sur la plupart des fours existants les tubes radiants sont regroupés en zones verticales, un contrôle uniquement des tubes radiants situés au voisinage des rouleaux impose des modifications lourdes et donc non économiques. É Des modèles de calcul des transitions afin de limiter la différence de température entre les deux formats de bande lors d'une transition afin que la température du produit le plus chaud soit compatible avec des consignes de tolérances de températures prédéfinies. Ces modèles présentent deux inconvénients majeurs: o Ils ne calculent pas en temps réel les échanges thermiques entre la bande et chaque rouleau, et donc n'intègrent pas l'effet de la conduction lié à la vitesse de la ligne, o Ils ne dissocient pas les tolérances de température process et les tolérances de températures métallurgiques. La production n'est donc pas optimisée, en particulier car les tolérances de températures ne sont pas maximales dans certains cas. Enfin les stratégies anti-plis sont le plus souvent globales et appliquées à toutes les transitions ce qui limite la productivité de la ligne. É Enfin toute combinaison des solutions ci-dessus ne présente aucun attrait majeur. 3. Description de l'invention L'invention consiste à optimiser la vitesse de ligne et/ou la traction de bande et/ou les tolérances de température process de façon économique afin de maximiser la production de la ligne et la qualité du produit final. Contrairement aux solutions de l'état de l'art, seules les contraintes de tolérances de température métallurgiques sont indiquées comme consigne par l'exploitant pour une bande donnée, un modèle mathématique optimise la vitesse de ligne, les tolérances de température process et/ou la traction de bande pour éviter les plis et assurer une productivité maximum en fonction du calcul en temps réel des profils de rouleaux en régime stable et transitoire. Le modèle mathématique intègre en temps réel l'effet de la conduction entre la bande et les rouleaux. 4. Exposé de moyens de mise en oeuvre de l'invention Un exemple de mise en oeuvre de l'invention dans une chambre de chauffage (figure 1) est constitué par un calculateur qui modélise principalement les échanges thermiques entre la bande (3) et les éléments de chauffage (4), les échanges thermiques entre la bande (3) et les rouleaux (2) et entre la chambre (1) et la bande (3) afin de calculer le profil thermique en temps réel de chaque rouleau ou de chaque rouleau critique pour la formation de plis et prends et/ou indique les actions nécessaires pour éviter les dits plis. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention dans une chambre de refroidissement (figure 2) est constitué par un calculateur qui modélise principalement les échanges thermiques entre la bande (3') et les éléments de refroidissement (4'), les échanges thermiques entre la bande (3') et les rouleaux (2') et entre la chambre (1') et la bande (3') afin de calculer le profil thermique en temps réel de chaque rouleau ou de chaque rouleau critique pour la formation de plis et prends et/ou indique les actions nécessaires pour éviter les dits plis. La mise en oeuvre dans une ou plusieurs chambres de chauffage peut être combinée à la mise en oeuvre dans une ou plusieurs chambres de refroidissement. Exemple de réalisation du procédé suivant l'invention Dans l'un des deux cas ci dessus, le calculateur détermine la tolérance de température process (température de bande maximale) pour non formation de plis compte tenu du profil de chaque rouleau calculé et: i. maximise la vitesse de bande en régime stable (cad pour une même bande et un même cycle thermique) pour respecter cette tolérance de température process (et les tolérances de température métallurgiques), ii. maximise la ou les vitesses des bandes en régime transitoire (cad lors d'un changement de cycle thermique et/ou un changement de format) pour respecter cette tolérance de température process (et les tolérances de température métallurgiques), iii. agit au besoin sur la traction de bande pour respecter les impératifs de guidage et de non formation de plis compte tenu des profils de rouleaux calculés, iv. agit au besoin sur les organes de chauffage ou de refroidissement de bande pour optimiser le profil de rouleau afin d'augmenter la tolérance de température process. 30 -Io- 5. Avantages apportés par l'invention É Gain de productivité de la ligne, par application instantanée de la vitesse maximum compatible avec la non formation de plis, É Gain de qualité et de productivité par garantie de non formation de plis (et conséquences associées: production de io second choix, ralentissement de ligne, casse de bande), É Gain de flexibilité par une possibilité de passage de transition de format et ou de qualité de bande non réalisable avec les solutions traditionnelles. REVENDICATIONS 1) Procédé d'amélioration de la production d'une ligne verticale de traitement thermique de l'acier ou de l'aluminium et/ou d'amélioration de la qualité des produits à traiter par réduction des plis formés dans une chambre de chauffage et/ou de refroidissement caractérisé par une détermination des tolérances de températures de bande acceptables pour non formation de plis w sur les rouleaux, en régime stable ou transitoire, 2) Procédé d'amélioration de la production et/ou d'amélioration de la qualité des produits à traiter suivant la revendication 1 caractérisé par un calcul en temps réel de profil à chaud du ou des rouleaux les plus critiques pour la formation de plis, 3) Procédé d'amélioration de la production et/ou d'amélioration de la qualité des produits à traiter suivant la revendication 1 et la revendication 2 caractérisé par un calcul en temps réel de la température de bande maximum admissible pour le ou les profils à chaud calculés en temps réel du ou des rouleaux les plus critiques pour la formation de plis; 4) Procédé d'amélioration de la production et/ou d'amélioration de la qualité des produits à traiter suivant la revendication 1, la revendication 2 et la revendication 3 caractérisé par l'intégration de modèles physiques d'échange conductif entre la bande et différents rouleaux, 5) Procédé d'amélioration de la production et/ou d'amélioration de la qualité des produits à traiter suivant la revendication 1 et la revendication 2 caractérisé par l'optimisation du ou des profils à chaud calculés en temps réel du ou des rouleaux les plus critiques pour la formation de plis, en agissant sur les éléments de chauffage ou de refroidissement de bande existants, afin d'augmenter les tolérances de température de bande, 6) Procédé d'amélioration de la production et/ou d'amélioration de la qualité des produits à traiter suivant la revendication 1 et la revendication 2 obtenu par le calcul et l'application en temps réel de la vitesse de bande maximum admissible pour le ou les profils à chaud calculés en temps réel du ou des rouleaux les plus critiques pour la formation de plis, 7) Procédé d'amélioration de la production et/ou d'amélioration de la qualité des produits à traiter suivant la revendication 1 et la revendication 2 obtenu par le calcul et l'application en temps réel de la traction de bande maximum admissible pour le ou les profils calcules en temps réel du ou des rouleaux les plus critiques pour la formation de plis. 8) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination des tolérances de températures soient déterminées par un calculateur de process utilisant un ou plusieurs modèles physiques d'échange thermique. 9) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le calcul en temps réel de profil à chaud soit déterminé par un calculateur de process utilisant un ou plusieurs modèles physiques d'échange thermique. 10) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le calcul en temps réel de la température de bande maximum admissible soit déterminé par un calculateur de process utilisant un ou plusieurs modèles physiques d'échange thermique. 11) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le calcul en temps réel de la vitesse de bande maximum admissible soit déterminée par un calculateur de process utilisant un ou plusieurs modèles physiques d'échange thermique. 12) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la combinaison des revendications 3, 4, 5, 6 et 7 caractérisé en ce que l'ensemble des calculs et des actions soit déterminé par un calculateur de process utilisant un ou plusieurs modèles physiques d'échange thermique, et en particulier les échanges conductifs entre la bande et les différents rouleaux.