PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE DU NIVEAU DE METAL LIQUIDE DANS UNE MACHINE DE COULEE CONTINUE
Domaine de l'invention
L'invention concerne la coulée continue de bande métallique, notamment de bande en aluminium ou en alliage d'aluminium.
Etat de la technique
La coulée continue entre cylindres est une technique bien connue pour produire des bandes métalliques à partir d'une source de métal liquide. Tel qu'illustré schématiquement en coupe transversale à la figure 1, une machine (1) de coulée continue de bande métallique (3) contient en général au moins deux cylindres (1 A et IB) identiques situés face à face et un dispositif d'injection (6) comprenant un bac de coulée (24) et un injecteur (23). Les cylindres sont séparés par un espace (ou entrefer) E sensiblement égal à l'épaisseur de la bande métallique à produire et tournant en sens inverse l'un de l'autre. Le métal (2) est alimenté, à l'état liquide, d'un côté de l'espace, à l'aide du dispositif d'injection (6), se solidifie au contact des cylindres et sort à l'état solide, de l'autre côté de l'entrefer, sous forme d'une bande (3) ayant une épaisseur nominale Eo. Le métal se solidifie entre les deux cylindres, au niveau de ce qui est connu sous le nom de front de solidification (5). Avec un tel dispositif, on peut produire des bandes allant de quelques centimètres d'épaisseur à quelques millimètres ou moins.
Il est en général impératif de maîtriser la régularité de l'épaisseur de la bande obtenue, notamment pour les faibles épaisseurs, car cette régularité détermine les propriétés d'usages de la bande, notamment de son aptitude à être transformée. On vise généralement des fluctuations d'épaisseur inférieures à ± 1 %. Par exemple, pour une bande de 3 mm d'épaisseur, les fluctuations d'épaisseur devraient rester inférieures à ± 30 μm.
On connaît plusieurs facteurs à l'origine des fluctuations d'épaisseur, lesquelles fluctuations consistent essentiellement en des variations et des irrégularités. En particulier, il est maintenant bien établi que les fluctuations du niveau du métal liquide contenu dans le dispositif d'injection génèrent des fluctuations d'épaisseur de la bande. Typiquement, la hauteur de la nappe de métal contenue dans le dispositif d'injection est de l'ordre de 40 à 50 mm.
Plusieurs solutions ont été développées pour limiter les fluctuations de la hauteur du niveau du métal liquide. La figure 2 illustre deux de ces solutions.
Dans le dispositif de la figure 2A, le dispositif d'injection (6) est alimenté à l'aide d'une goulotte (7) munie de moyens (16, 17) pour réguler le débit de métal liquide déversé dans le bac de coulée (24). La goulotte d'alimentation (7) est alimentée en métal liquide (8) par un four de maintien (qui n'est pas illustré). Selon ce dispositif, un flotteur/obturateur (16) coiffe une ouverture (17) aménagée à l'extrémité de la goulotte d'alimentation (7) et coopère avec celle-ci de manière à permettre un écoulement du métal liquide dont le débit est fonction de l'enfoncement du flotteur/obturateur (16). Ce dernier flotte en surface du métal liquide (2), suit les variations de la hauteur H de ce métal et limite le flux de métal (18) en fonction de la hauteur du niveau de métal. Le niveau de métal liquide est alors régulé de manière purement mécanique. Avec un tel dispositif, pour un débit typique de 3 tonnes/heure, les fluctuations de hauteur du niveau métal sont au mieux de l'ordre de ± 1 mm.
Dans le dispositif de la figure 2B, le dispositif d'injection (6) est alimentée à l'aide d'une goulotte d'alimentation (7) munie de moyens (9-15) pour réguler le débit de métal liquide déversé dans le dispositif d'injection en fonction d'une hauteur mesurée. Les moyens de régulation (9-15) comprennent un capteur de niveau de métal (11), qui est typiquement un capteur capacitif, un circuit électronique de régulation (10) comprenant un circuit de détection (12) et un circuit de commande (13), une ouverture réglable (9) aménagée dans le fond de la goulotte d'alimentation (7). L'ouverture (9) peut être obturée de manière contrôlée par un moyen d'obturation (15) déplacé verticalement par un actionneur (14) sous la commande du circuit (13).
Avec un tel dispositif, pour un débit typique de 3 tonnes/heure, les fluctuations de hauteur du niveau métal sont au mieux de l'ordre de ± 0,5 mm.
La demanderesse a donc recherché des solutions qui permettent de limiter les fluctuations, c'est-à-dire les variations et irrégularités, d'épaisseur des bandes métalliques obtenues par coulée continue à des valeurs inférieures à ± 0,05 mm, tout en permettant des débits importants de métal liquide, à savoir des débits de l'ordre de 3 tonnes/h ou plus, et la production de bandes de grande largeur, à savoir d'une largeur typiquement supérieure à 1 mètre, voire supérieure à 2 mètres.
Description de l'invention
Dans ses recherches, la demanderesse a constaté que les fluctuations d'épaisseur de la bande issue d'une machine de coulée continue restent sensiblement les mêmes, en valeur absolue, quelle que soit l'épaisseur de la bande. Dans ces conditions, une fourchette de fluctuations qui est tolérable pour des bandes épaisses devient rédhibitoire pour des bandes de faible épaisseur. Or, typiquement, les dispositifs de l'état de la technique permettent de limiter l'amplitude des fluctuations d'épaisseur au mieux à environ ± 0,05 mm quelle que soit l'épaisseur de la bande. Par exemple, avec les dispositifs connus, il n'est pas possible de couler des bandes d'une épaisseur inférieure à 5 mm avec une précision sur l'épaisseur meilleure que ± 1 %. En outre, les fluctuations sont généralement d'autant plus importantes que la largeur de la bande est grande.
Dans sa recherche de solutions, la demanderesse a émis l'hypothèse que des fluctuations du niveau du métal liquide dans la goulotte de l'ordre de ± 0,5 mm étaient encore trop importantes et pouvaient expliquer une grande partie des fluctuations observées sur l'épaisseur de la bande coulée. Elle a d'ailleurs noté que la hauteur H de métal dans le bac de coulée, et plus précisément la hauteur Hc de métal entre le centre de l'injecteur et la surface libre du métal liquide dans le bac de coulée, qui établit la charge métallostatique au niveau de l'injecteur, déterminait de manière critique les échanges thermiques et la qualité de la bande métallique obtenue. Elle a
donc recherché des moyens pour réduire encore davantage l'amplitude des fluctuations du niveau de métal liquide.
La demanderesse a eu l'idée d'utiliser la poussée d'Archimède pour varier de manière simple et contrôlable le niveau du métal liquide contenu dans le dispositif d'injection. Le déplacement d'un plongeur dans le métal liquide permet ainsi de contrôler finement la hauteur du métal liquide, et donc la pression hydrostatique qui en résulte, sans intervenir sur l'alimentation en métal liquide. Le contrôle du niveau et le débit de métal liquide peuvent dès lors être pratiquement découplés. En d'autres termes, l'invention présente l'avantage de séparer le contrôle fin du niveau de métal liquide et de la régulation de l'alimentation en métal liquide. Ainsi, lorsqu'on alimente le dispositif d'injection en métal liquide au cours de la coulée, typiquement à l'aide d'une goulotte, on peut effectuer un contrôle du niveau de métal liquide dans le dispositif d'injection indépendamment de la régulation de l'alimentation en métal liquide, qui vise principalement le contrôle du débit d'alimentation en métal liquide.
L'invention a pour objet un procédé de contrôle de la hauteur H de métal liquide d'un dispositif d'injection d'une machine de coulée continue de bandes métalliques, procédé dans lequel : - on immerge une partie déterminée P d'au moins un plongeur dans ledit métal liquide ;
- on déplace le, ou au moins un, plongeur dans le métal liquide de manière à modifier le volume de la partie immergée du plongeur, à provoquer un déplacement du niveau du métal liquide sous l'effet de la pression hydrostatique et à modifier de ladite hauteur H.
Le déplacement d'un plongeur peut consister à abaisser un peu celui-ci lorsque le niveau du métal liquide est trop faible et, inversement, à le relever un peu lorsque le niveau est trop élevé. Le déplacement requis peut être déterminé par un algorithme simple qui est basé sur l'écart entre une hauteur mesurée H de métal liquide et une valeur de consigne Ho et qui tient compte de la géométrie du (des) plongeur(s) et du dispositif d'injection. L'algorithme est typiquement une fonction inverse de la
différence entre la hauteur mesurée H et la hauteur de consigne Ho (et plus avantageusement une fonction de la différence entre la hauteur Hc mesurée et une hauteur de consigne Hco). L'algorithme peut être plus élaboré et peut être, par exemple, une algorithme PID (proportionnel-intégral-différentiel).
L'invention présente également l'avantage de permettre un contrôle, c'est-à-dire un ajustement et/ou une régulation, précis de la hauteur du métal liquide sans modification significative de la pression hydrostatique.
Outre les problèmes de tenue au métal liquide et de pollution éventuelle de celui-ci par le (les) plongeur(s), la nature du matériau dont est constitué le (les) plongeur(s) intervient peu dans la précision du procédé, ce qui n'est pas le cas de procédés ou dispositifs basés sur la flottaison d'un des moyens de contrôle.
L'invention a également pour objet un dispositif de contrôle de la hauteur H du métal liquide contenu dans un dispositif d'injection d'une machine de coulée continue, apte à mettre en œuvre le procédé de l'invention.
L'invention a aussi pour objet un procédé de coulée continue d'une bande métallique caractérisé en ce qu'on contrôle la hauteur H du métal liquide contenu dans un dispositif d'injection à l'aide du procédé de contrôle de l'invention.
L'invention a aussi pour objet une machine de coulée continue d'une bande métallique caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de contrôle de la hauteur H du métal liquide selon l'invention.
L'invention est particulièrement avantageuse lorsque les bandes métalliques (3) ont une largeur supérieure ou égale à environ 1000 mm, voire supérieure ou égale à environ 2000 mm.
Figures
La figure 1 représente de manière schématique les éléments de base d'une machine de coulée continue.
La figure 2 représente deux dispositifs de l'art antérieur qui permettent de contrôler le débit de métal et la hauteur H du niveau de métal liquide dans un dispositif d'injection.
La figure 3 illustre le principe de fonctionnement du procédé de contrôle du niveau de métal liquide selon l'invention.
La figure 4 illustre de manière schématique un premier dispositif de l'invention.
La figure 5 illustre de manière schématique un deuxième dispositif selon l'invention.
La figure 6 représente un mode de réalisation du dispositif selon l'invention.
Description détaillée de l'invention
Le procédé de contrôle de la hauteur H de métal liquide (2) d'un dispositif d'injection (6) d'une machine de coulée continue (1) de bandes métalliques (3) selon l'invention est caractérisé en ce que :
- on immerge une partie déterminée P d'au moins un plongeur (30) dans le métal liquide (2) ;
- on déplace le (au moins un ou chaque) plongeur (30) dans le métal liquide (2) de manière à modifier le volume de la partie immergée P du plongeur, à provoquer un déplacement du niveau (20) du métal liquide (2) sous l'effet de la pression hydrostatique et à modifier de ladite hauteur H.
Le dispositif d'injection (6) comprend une ouverture d'alimentation (19) et une ouverture de sortie (21) ayant une largeur sensiblement égale à celle de la bande (3) à produire. L'injecteur (6) est alimenté en métal liquide à l'aide d'une goulotte (7), qui déverse du métal liquide (8) dans le bac de coulée (24) par l'ouverture d'alimentation
(19). La bande métallique (3) sort de l'entrefer E dans une direction (22) sensiblement horizontale ou légèrement inclinée par rapport à l'horizontale. Selon l'invention, le plongeur (30) est immergé dans le métal liquide (2) contenu dans le bac de coulée (24), qui est solidaire de l'injecteur (23), de sorte que le contrôle du niveau de métal liquide s'effectue directement dans le dispositif d'injection (6) (et non dans la goulotte d'alimentation ou plus en amont, ce qui permet de bien découpler le contrôle du débit et le contrôle du niveau de métal). L'invention est particulièrement adaptée aux cas où la hauteur Hc de métal entre le centre de l'injecteur et la surface libre du métal liquide dans le bac de coulée est faible par rapport à la largeur de la bande (Hc est typiquement comprise entre 5 et 50 mm alors que la largeur est typiquement supérieure à environ 1000 mm).
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on déplace le (au moins un ou chaque) plongeur en fonction d'une valeur mesurée du niveau (20) du métal liquide. Plus précisément, le procédé de l'invention est caractérisé en ce que :
- on détermine, de préférence de manière périodique ou continue, la hauteur H du métal liquide (2) contenu dans dispositif d'injection (6), typiquement à partir d'une mesure du niveau (20) du métal liquide ;
- on déplace le, au moins un ou chaque, plongeur (30) dans le métal liquide de manière à annuler l'écart entre H et une valeur de consigne Ho déterminée.
Dans une version simple du contrôle, on compare de la hauteur mesurée H à la valeur de consigne Ho afin de déterminer le déplacement du (des) plongeur(s). Typiquement, on compare la hauteur mesurée H à la valeur de consigne Ho et on déplace le plongeur en fonction inverse de la différence entre la hauteur mesurée H et la hauteur de consigne Ho. Le déplacement du (des) plongeur(s) (30) peut comprendre des opérations d'immersion et d'émersion complémentaires. Par exemple :
- on immerge une partie complémentaire déterminée ΔP+ du (d'au moins un ou de chaque) plongeur (30) lorsque H < Ho, de manière à faire remonter le niveau (20) du métal liquide (2) et à augmenter ladite hauteur H ;
- on fait émerger une partie déterminée ΔP- du (d'au moins un ou de chaque) plongeur (30) lorsque H > Ho, de manière à faire baisser le niveau (20) du métal liquide (2) et à diminuer ladite hauteur H.
Comme le montre la figure 3, l'immersion ou l'émersion partielle du plongeur permet de faire varier la hauteur de manière à corriger les écarts entre la valeur mesurée H et la valeur de consigne Ho. Lesdites quantités déterminées ΔP+ et ΔP-, pour l'abaissement ou le relèvement du, ou de chaque, plongeur (30), dépendent typiquement de l'écart entre H et Ho, de la forme du (des) plongeur(s) (30) et de la forme du dispositif d'injection (6). Ces quantités peuvent être déterminées par calcul géométrique, par exemple à l'aide d'un algorithme simple basé sur l'écart entre H et Ho (et donc basé sur les volumes de métal à déplacer) et tenant compte de la géométrie du (des) plongeur(s) et du dispositif d'injection. Par exemple, ΔP+ et ΔP- peuvent être données par le volume Vm de métal respectivement au-dessous et au- dessus du niveau de consigne, correspondant à la différence entre le volume réel de métal liquide et le volume délimité par le niveau de consigne, la surface interne du bac de coulée et le front de solidification. Le volume Vm est égal approximativement au produit de l'aire de la surface libre (20) du métal liquide (2) et de l'écart entre la hauteur de consigne Ho et la hauteur mesurée H.
Le (ou les) plongeur(s) (30) peut (peuvent) avoir une forme quelconque, telle qu'une forme cylindrique ou conique. La forme et l'aire de la surface du (des) plongeur(s) sont ajustées de manière à assurer la précision requise (lorsqu'un plongeur est immergé à sa profondeur de référence).
De préférence, au moins un plongeur est de forme cylindrique de section circulaire S et dont l'axe principal est perpendiculaire à la surface libre (20) du métal liquide (2), auquel cas le (ou chaque) plongeur peut être déplacé verticalement d'une distance ΔX approximativement égale à (H - Ho) x So / S, où So est l'aire de la surface libre (20) du métal liquide (2) contenu dans le dispositif d'injection (6). Si H est inférieure à Ho, alors ΔH est négatif et le plongeur peut être abaissé ; si H est supérieure à Ho, alors ΔH est positif et le plongeur peut être relevé. La hauteur H de métal liquide est
généralement donnée par rapport au fond du dispositif d'injection (6), et de préférence par rapport au centre de l'injecteur (23).
En outre, le (les) plongeur(s) est (sont) constitué(s) de préférence d'un matériau réfractaire, inerte vis-à-vis du métal liquide, tel qu'une céramique, de manière à pouvoir rester longtemps immergé(s) dans le métal liquide sans risque de dégradation ou de pollution. Le matériau est de préférence non-poreux, de manière à limiter la pollution du métal liquide, notamment lors des changements d'alliage.
Le volume V du (des) plongeur(s) (30) est approximativement au moins égal au produit de l'aire de la surface libre (20) du métal liquide (2) et des variations maximales de hauteur à corriger. Typiquement, pour corriger des variations de hauteur de ± 0,3 mm sur une surface libre égale à environ 20 000 cm2, il faut prévoir un plongeur dont le volume est au moins égal à 2 x 0,6 mm x 20 000 cm2 = 2 400 cm . Ceci correspond, par exemple, à un plongeur de forme cylindrique d'une hauteur de 40 mm environ et d'un diamètre de 140 mm environ.
Lors de la coulée continue, on alimente le dispositif d'injection (6) en métal liquide (2), typiquement à l'aide d'une goulotte (7). Le procédé de contrôle de l'invention peut être associé à un procédé de contrôle l'alimentation du dispositif d'injection (6) en métal liquide (2). Le procédé de contrôle selon l'invention assure alors une régulation et un ajustement précis de la hauteur du métal liquide qui complète le contrôle grossier de la hauteur du métal assuré par le procédé de contrôle de l'alimentation. Le procédé de contrôle selon l'invention peut être compris dans un procédé de contrôle de la machine de coulée continue (1).
L'invention a également pour objet un dispositif (40) de contrôle de la hauteur H du métal liquide (2) contenu dans un dispositif d'injection (6) d'une machine de coulée continue (1), apte à mettre en œuvre le procédé de l'invention. Ce dispositif comprend au moins un plongeur (30) et des moyens (41, 31, 32) pour modifier la position du (ou de chaque) plongeur (30).
Dans une version préférée de l'invention, le dispositif comprend également des moyens (11, 12) pour détecter la hauteur H du métal liquide (2). Les moyens (11, 12) pour détecter la hauteur H du métal liquide (2) comprennent un capteur de niveau de métal (11), qui est typiquement un capteur capacitif, et un circuit de détection (12), qui peut traduire, si nécessaire, le signal du capteur en un signal déterminé représentatif de la hauteur réelle du métal liquide (2). La figure 4 illustre un tel dispositif.
Les moyens (41, 31, 32) pour modifier la position du (des) plongeur(s) (30) peuvent comprendre typiquement un circuit de commande (41), un actionneur (32) et un moyen de fixation et de support (31) du (des) plongeur(s) (30). L'actionneur permet d'immerger une partie déterminée du (des) plongeur(s) (30) dans le métal liquide (2) et de le déplacer, typiquement de bas en haut, et inversement, c'est-à-dire de l'abaisser d'une quantité déterminée ΔX- lorsque H < Ho, de manière à faire remonter le niveau de métal liquide et de le relever d'une quantité déterminée ΔX+ lorsque H > Ho, de manière à faire baisser le niveau de métal liquide.
Le circuit de commande (41), qui est typiquement raccordé directement au circuit de détection (12), commande l'actionneur (32) en fonction des mouvements du (des) plongeur(s) (30) requis pour corriger la hauteur H du métal liquide (2). Ces moyens peuvent être aisément automatisés ou pilotés par ordinateur. Dans ce cas, le circuit de commande (41) permet de comparer la hauteur mesurée H, connue par le signal issu du circuit de détection (12), à la hauteur de consigne Ho.
En pratique, il peut être avantageux de regrouper les circuits de détection (12) et de commande (41) dans un coffret (42), éventuellement unique, de manière à les isoler des perturbations électromagnétiques et à diminuer les risques d'endommagement de ceux-ci.
Selon une variante de l'invention, le dispositif de contrôle de la hauteur (40) est associé à un dispositif de contrôle de l'alimentation en métal liquide (50), tel qu'illustré par exemple à la figure 5. Le dispositif de contrôle (40) assure alors une
régulation et un ajustement précis de la hauteur du métal liquide qui complète le contrôle grossier de la hauteur du métal assuré par le dispositif (50). Le dispositif selon l'invention peut aussi être compris dans un dispositif de contrôle de la machine de coulée continue (1).
Le dispositif de contrôle (50) comprend, par exemple, une goulotte d'alimentation (7) munie de moyens (9, 11-15) pour contrôler le débit de métal liquide déversé dans le dispositif d'injection (6). Les moyens de contrôle (9, 11-15) comprennent un capteur de niveau de métal (11), qui est typiquement un capteur capacitif, un circuit électronique de contrôle comprenant un circuit de détection (12) et un circuit de commande (13), une ouverture réglable (9) obturée de manière contrôlée par un moyen (15), qui est actionné par le moyen (14) sous la commande du circuit (13). Comme le montre la figure 5, le capteur de niveau (11) et le circuit de détection (12) sont avantageusement communs au dispositif de contrôle de la hauteur du métal liquide selon l'invention et au dispositif de contrôle de l'alimentation en métal liquide. En pratique, il peut être avantageux de regrouper les circuits de détection (12) et de commande (13, 41) dans un coffret (52), de manière à les isoler des perturbations électromagnétiques et à diminuer les risques d'endommagement de ceux-ci.
L'invention a aussi pour objet l'utilisation d'au moins un plongeur (30) pour contrôler la hauteur du métal liquide contenu dans un dispositif d'alimentation en métal liquide, tel qu'un dispositif d'injection.
L'invention a aussi pour objet un procédé de coulée continue d'une bande métallique (3) dans lequel on alimente un dispositif d'injection (6) en métal liquide (2), caractérisé en ce qu'on contrôle la hauteur H du métal liquide (2) contenu dans le dispositif d'injection (6) à l'aide du procédé de contrôle de l'invention. On peut éventuellement réguler, en outre, le débit d'alimentation du dispositif d'injection (6) en métal liquide (2). Ladite bande métallique a typiquement une largeur supérieure ou égale à environ 1000 mm, voire supérieure ou égale à environ 2000 mm. Ladite bande est typiquement en aluminium ou en alliage d'aluminium.
L'invention a aussi pour objet une machine de coulée continue (1) d'une bande métallique (3) comprenant un dispositif d'injection (6) et caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de contrôle (40) de la hauteur H du métal liquide (2) contenu dans dispositif d'injection (6) selon l'invention. De préférence, la machine de coulée continue selon l'invention est également caractérisée en ce qu'elle est apte à permettre la coulée de bandes ayant une largeur supérieure ou égale à environ 1000 mm, voire supérieure ou égale à environ 2000 mm.
L'invention est adaptée à la coulée continue de bandes en aluminium ou en alliage d'aluminium, mais peut être appliquée à la coulée continue de tout métal liquide.
Exemple
La figure 6 représente un mode de réalisation possible de la partie mécanique (30, 31, 32) du dispositif selon l'invention. Celle-ci comporte un plongeur (30), une tige (31) pour supporter le plongeur et un actionneur (32). L'actionneur (32) comprend une barre métallique (33), de préférence sensiblement horizontale, qui est fixée à un support (39), de manière à pouvoir pivoter librement autour d'un axe (35), et est munie d'un contrepoids (36). L'actionneur (32) comprend en outre une came (37) de forme sensiblement spiroïdale (proche d'une spirale) dont le rayon croît régulièrement d'une valeur minimale RI à une valeur maximale R2 sur un angle θ. La came (37) s'appuie contre la barre (33), de préférence du côté du contrepoids (36). Le pivotement de la came (37) autour d'un axe (38) à l'aide, par exemple, d'un moteur pas-à-pas, permet de faire pivoter la barre (33) autour de l'axe (35) de manière contrôlée. Les pivotements de la barre (33) entraînent des mouvements de haut en bas, ou de bas en haut, du plongeur (30). La course C de ces mouvements est liée à la différence entre RI et R2, à la distance d'appui D et à l'entre axe E. Par exemple, pour RI = 12,5 mm et R2 = 37,5 mm, D / E = 1,25, on obtient une course de ± 20 mm.