EP0036342A1 - Procédé de contrôle du refroidissement du produit coulé dans une installation de coulée continue - Google Patents
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- EP0036342A1 EP0036342A1 EP81400212A EP81400212A EP0036342A1 EP 0036342 A1 EP0036342 A1 EP 0036342A1 EP 81400212 A EP81400212 A EP 81400212A EP 81400212 A EP81400212 A EP 81400212A EP 0036342 A1 EP0036342 A1 EP 0036342A1
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- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
- B22D11/16—Controlling or regulating processes or operations
- B22D11/22—Controlling or regulating processes or operations for cooling cast stock or mould
- B22D11/225—Controlling or regulating processes or operations for cooling cast stock or mould for secondary cooling
Definitions
- the molten metal begins to solidify in the ingot mold, where a relatively thin skin is formed, then solidification continues in the secondary cooling zone equipped with nozzles or spraying booms or water atomization.
- this secondary cooling by nozzles or ramps is to ensure regular growth of the skin formed in the mold to achieve complete solidification of the product cast in the form of a bar after a predetermined time. Sufficient water flows must be projected onto the bar to maintain the temperature of the skin of the cast product at a value low enough for it to have adequate mechanical strength. On the other hand, if too large water flow rates are used, the temperature of the product poured into the straightening zone of the bar from the curved state to the straight state will be too low; there will follow a decrease in the ductility of the surface of the cast metal such that the deformations due to the straightening of the bar will be greater than the limit deformations acceptable by the metal in this zone. In general, uncontrolled cooling of the cast product can be the cause of significant metallurgical defects, in particular of internal and surface cracks.
- the total water flow used in the cooling zone or the partial flows of one or more sections of this zone are periodically adjusted according to the age of the fictitious slices of poured product formed during time intervals equal to the setting period, located in the corresponding cooling zone or section. For this, one or more variation curves of water flow rates as a function of the age of the product are used which are pre-established from test results and calculations.
- the present invention provides a method and a system for taking into account the actual behavior and the thermal history of the cast product.
- the process which is the subject of the invention is characterized in that the set values of the cooling water flow rates of the various sections of the secondary cooling zone are periodically determined by means of a computer from a first curve representing the variations, as a function of the residence time in the casting machine, of the quantity of heat extracted from a unit mass of the cast product, during its journey from the free surface of the metal in the ingot mold to the zoned solidification or beyond, and a second curve associated with the previous one due to the laws of thermal behavior and representing the variations, as a function of the residence time in the casting machine, of the surface temperature of the cast product.
- These curves were defined beforehand using a mathematical model for simulating the thermal behavior of the cast product calibrated by experimental results.
- the equations from which the curves of the quantity of heat extracted and the surface temperature are established include parameters whose value can vary from one casting to another: nature of the metal cast, format of the product cast. It is therefore necessary to have a set of curves for each steel grade and each format that is planned to be cast.
- the quantity of heat extracted in an ingot mold is determined, the curve of the quantity of heat extracted is corrected by shifting it parallel to the time axis so that it passes through the point whose coordinates are, on the one hand, the residence time of the product poured into the mold and, on the other hand, the quantity of heat extracted in the mold, and the set values of the water flow rates are calculated from the corrected curve.
- this curve is corrected by connecting by a straight line or a 2nd or 3rd degree curve the point whose the coordinates are, on the one hand, the residence time in the mold and, on the other hand, the surface temperature of the product at the outlet of the mold at a point on the curve corresponding to an upper section of the cooling zone smoothing, and the set values of the water flow rates are calculated from the corrected curve.
- the surface temperature of the product poured at the outlet of the ingot mold is measured by means of an optical pyrometer or calculated from the amount of heat extracted in the ingot mold by means of a curve established using forecast simulation calculations.
- the surface temperature profile which is imposed in the secondary cooling zone makes it possible to reach the desired temperature at the exit from the zone, in particular at the straightening point of the bar in a curved casting installation.
- the efficiency of the cooling device may vary accidentally, for example by fouling or wear of the nozzles.
- the surface temperature of the bar measured just at the outlet of the cooling zone or in the vicinity of the straightening point in the case of a curved machine is periodically compared with the desired temperature and, if the difference between these two values is greater than a predetermined value, the reference values of the water flow rates of the last sections of the secondary cooling zone are corrected.
- the reference value of the water flow rate of the last section is corrected; the importance of this correction is a function of the temperature difference. If at the end of a predetermined time this difference is still too great, it is possible to correct the set value of the water flow rates of one or more previous sections.
- a family of curves of quantity of heat extracted and of surface temperature are used which correspond to different extraction speeds of the cast product.
- several classes of extraction speed are defined and a set of curves of the quantity of heat extracted and of the surface temperature are associated with each class.
- the set values of the water flow rates are calculated from the set of curves corresponding to the class into which this speed enters.
- the set values for the water flow rates for the duration of the transient regime are calculated from the curves corresponding to the initial speed.
- the extraction speed takes a new value and keeps it for a period of time whose duration is greater than a predetermined value (approximately 5 minutes)
- a predetermined value approximately 5 minutes
- the average extraction speed of a slice is defined as the quotient of the distance traveled by this slice in the machine by the age of this slice.
- This division of the product cast into fictitious elementary slices is moreover generally used in the method of the invention, in the same way as in certain known methods, to determine at a given instant the age of the different slices, information from which the quantities of heat to be extracted, the surface temperatures, the exchange coefficients, the specific water flows and the set values for the water flows of the different sections of the cooling zone are calculated.
- the machine for the continuous casting of steel shown diagrammatically in FIG. 1 essentially comprises an ingot mold 10, a corset of guide rollers 12, straightening rollers 14 and a cooling device comprising nozzles or spray or atomization grouped by sections, all the nozzles or booms of the same section being connected in parallel to a supply pipe provided with a valve 16 whose opening is controlled by a regulator 18 to maintain the supply flow equal at a set flow rate set by a computer 20.
- the nozzles or booms are distributed all around the casting bar or, in the case of a bar with rectangular section, only on its large faces. Means are provided for manually adjusting the distribution between the different nozzles or booms of a section, according to their position, of the total flow of water supplying this section.
- thermometric rod 22 for measuring the temperature of the molten metal in the distributor 24
- thermometric probes 26 for measuring the temperature of the water of cooling of the ingot mold, at its inlet and outlet
- flow meter 28 for measuring the flow rate of the cooling water of the ingot mold
- pulse generator 30 for measuring the extraction speed of the bar and the calculation of the age of the elements of the bar
- pyro meter 32 for measuring the surface temperature of the bar in the vicinity of the straightening point, etc.
- the latter determines at regular intervals the set values of the water supply flow rates of the various sections of the cooling device.
- This regular time interval is for example between 1 and 50 seconds.
- the principle of cooling control according to the invention is to maintain over time the evolution of the solidification of the bar regardless of the operating regime of the casting machine.
- a law of variation of the quantity of heat C extracted per kilo of steel is imposed as a function of the residence time in the machine t (FIG. 3) with which is associated a law of variation of the surface temperature T of the bar as a function of the residence time in the machine t (FIG. 2).
- These laws essentially depend on the grade of steel, the size of the bar and the speed of extraction.
- steel grades and extraction speeds will be grouped into different classes.
- the number of classes will depend on the order book of the steelworks.
- the set values of the supply water flow rates of the different sections of the cooling zone are calculated by integration. Cool and the calculated values are transmitted to the respective controllers 18.
- the total water flow rate of the cooling zone is calculated and deduced therefrom the total air flow to be used, using an equation or a curve establishing a relationship between these two flows.
- Means are provided for manually adjusting the distribution between the different sections of the total air flow supplying the secondary cooling zone.
- the computer 20 determines, on the basis of the values of the flow rate and of the temperatures at the inlet and at the outlet of the cooling water of the ingot mold, measured continuously by the probes 26 and the flow meter 28, or from a file of values established using forecast simulation calculations, the quantity of heat extracted in the mold and deduces the time lag which must be taken into account for the determination of the quantities of heat to be extracted in the secondary cooling zone.
- the measurement of the surface temperature of the bar in the vicinity of the straightening point is continuously transmitted to the computer 20 by the pyrometer 32. If its value deviates too much from the desired value (for example if the difference is greater than 50 ° C), the computer modifies the setpoint values calculated for the last section (s) of the secondary cooling zone accordingly. Calcu The reader first corrects the setpoint for the water flow from the last cooling section; the extent of the correction depends on the difference between the measured temperature and the desired temperature. Then after a certain time, which depends on the position of the last cooling section relative to the rectification point, the computer corrects the set values for the water flow rates of the last two cooling sections if the difference between the temperatures is still too important.
- the computer maintains or not, depending on the temperature difference, the correction of the setpoints of the water flow rates of the two last sections.
- this could gradually correct the water flow setpoints for the last three or four sections of the cooling zone.
- the set values of the feed water flow rates of each section of the cooling zone are calculated by integrating the water flow rates calculated for each elementary unit located in the section considered. As this average speed varies gradually to finally become equal to the new speed, if it is stable, the set values of the water flows for each section of the cooling zone will gradually change from the values they had at the initial speed up to the values corresponding to the new speed.
- the computer can supply other information: proposal of an optimal extraction speed in steady state which depends on the nature of the metal, the format of the product and the temperature of the metal in the distributor, alarms if the temperature of the steel in the distributor exceeds the limits imposed, if the calculated water flows are greater than predetermined maximum values, if the difference between the measured and calculated water flows is greater than 10%, if the actual extraction speed is greater than the optimal speed, if the surface temperature at the righting point is too low, etc.
- the computer can also be advantageously used to check the condition of the cooling device secondary between two flows. For this, the different sections of the cooling device will be supplied; after setting flow rate setpoints using the calculator, the actual flow rates and actual pressures will be measured and the measured values compared to the calculated values. If the device is in good condition (no wear, no fouling, no leakage), there should be no significant differences between these values; in particular for a given flow rate, the pressure measured must comply with the pressure calculated.
- the calculated pressures are determined by the computer using the pressure-flow curves which are stored in the computer memory and which are pre-established on the basis of test and calculation results.
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Abstract
Procédé de contrôle du refroidissement du produit coulé dans une installation de coulée continue suivant lequel on divise le produit coulé en tranches fictives et on calcule périodiquement les valeurs de consigne des débits d'eau des différentes sections de la zone de refroidissement secondaire en fonction de l'âge des tranches se trouvant dans les dites sections. Pour tenir compte de la quantité de chaleur extraite en lingotière, les valeurs de consigne des débits d'eau des différentes sections de la zone de refroidissement secondaire sont déterminées périodiquement au moyen d'un calculateur (20), à partir d'une première courbe donnant les variations en fonction du temps de la quantité de chaleur extraite d'une masse unitaire du produit coulé, au cours de son trajet depuis la surface libre du métal dans la lingotière (10) jusqu'à la zone de solidification complète ou au-delà, et d'une seconde courbe donnant les variations en fonction du temps, au cours dudit trajet, de la température superficielle du produit coulé et, avant chaque calcul, on corrige la première courbe en fonction de la quantité de chaleur extraite en lingotière.
Description
- Dans une installation de coulée continue, le métal en fusion commence à se solidifier dans la lingotière, où il se forme une peau relativement mince, puis la solidification se poursuit dans la zone de refroidissement secondaire équipée de buses ou de rampes de pulvérisation ou d'atomisation d'eau.
- La fonction de ce refroidissement secondaire par buses ou rampes est d'assurer une croissance régulière de la peau formée dans la lingotière pour arriver à la solidification complète du produit coulé sous forme de barre au bout d'un temps prédéterminé. Des débits d'eau suffisants doivent être projetés sur la barre pour maintenir la température de la peau du produit coulé à une valeur assez basse pour qu'elle présente une résistance mécanique convenable. D'autre part, si des débits d'eau trop importants sont utilisés, la température du produit coulé dans la zone de redressement de la barre de l'état courbe à l'état rectiligne sera trop basse ; il s'en suivra une diminution de la ductilité de la surface du métal coulé telle que les déformations dues au redressement de la barre seront supérieures aux déformations limites acceptables par le métal dans cette zone. D'une manière générale, un refroidissement non contrôlé du produit coulé peut être la cause de défauts- métallurgiques importants, notamment de criques internes et de surface.
- Pour optimiser la production de l'installation et la qualité des produits coulés, il est donc essentiel de contrôler le refroidissement du produit coulé. Différents systèmes, plus ou moins évolués, ont été proposés dans ce but.
- C'est ainsi qu'on a réalisé des installations où le débit total d'eau de refroidissement était maintenu proportionnel à la vitesse d'extraction du produit coulé, la répartition du débit entre les différentes zones étant prédéterminée. Il existe aussi des installations où le débit d'eau de refroidissement est réglé en fonction de la vitesse de coulée, de façon à maintenir le taux d'arrosage (débit d'eau/débit de métal) proportionner à cette vitesse.
- Dans d'autres installations, on règle périodiquement le débit d'eau total utilisé dans la zone de refroidissement ou les débits partiels d'une ou plusieurs sections de cette zone en fonction de l'âge des tranches fictives de produit coulé, formées pendant des intervalles de temps égaux à la période du réglage, se trouvant dans la zone ou la section de refroidissement correspondante. Pour cela on utilise une ou plusieurs courbes de variation des débits d'eau en fonction de l'âge du produit qui sont préétablies à partir de résultats d'essais et de calculs.
- Tous ces systèmes qui se contentent de maintenir les débits d'eau de refroidissement à des valeurs de consigne variables suivant différentes lois mais toujours prédéterminées, ignorent le déroulement du processus de refroidissement et ne prennent pas en compte les variations de certains paramètres, notamment de la quantité de chaleur extraite en lingotière et du profil thermique de la barre coulée.
- La présente invention propose un procédé et un système permettant de tenir compte du comportement réel et de l'histoire thermique du produit coulé.
- Le procédé objet de l'invention est caractérisé en ce qu'on détermine périodiquement, au moyen d'un calculateur, les valeurs de consigne des débits d'eau de refroidissement des différentes sections de la zone de refroidissement secondaire à partir d'une première courbe représentant les variations, en fonction du temps de séjour dans la machine de coulée, de la quantité de chaleur extraite d'une masse unitaire du produit coulé, au cours de son trajet dépuis la surface libre du métal dans la lingotière jusqu'à la zone de solidification complète ou au-delà, et d'une seconde courbe associée à la précédente du fait des lois de comportement thermique et représentant les variations, en fonction du temps de séjour dans la machine de coulée, de la température superficielle du produit coulé. Ces courbes ont été définies préalablement à l'aide d'un modèle mathématique de simulation du comportement thermique du produit coulé étalonné par des résultats expérimentaux.
- En divisant le produit coulé en tranches élémentaires fictives et en déterminant périodiquement l'âge de chaque- tranche, on calcule, à partir des courbes, la quantité de chaleur à extraire de chaque tranche et sa température superficielle, puis le coefficient d'échange thermique pour chaque tranche. A l'aide d'une courbe donnant les variations des débits spécifiques d'eau de refroidissement en fonction du coefficient d'échange thermique, on détermine les débits d'eau à projeter sur chaque tranche, puis on calcule les valeurs de consigne des débits d'eau de chaque section de la zone de refroidissement en intégrant les débits d'eau pour toutes les tranches se trouvant à l'instant considéré dans chaque section et on maintient, au moyen de régulateurs, les débits d'eau d'alimentation des différentes sections égaux aux valeurs de consigne respectives.
- Les équations à partir desquelles sont établies les courbes de la quantité de chaleur extraite et de la température superficielle comprennent des paramètres dont la valeur peut varier d'une coulée à l'autre : nature du métal coulé, format du produit coulé. Il est donc nécessaire de disposer d'un jeu de courbes pour chaque nuance d'acier et chaque format qu'il est prévu de couler.
- Le tracé de ces courbes dépend aussi de la quantité de chaleur extraite en lingotière. Le procédé de l'invention permet de tenir compte facilement de ce paramètre. Les calculs ont en effet montré que les variations de l'efficacité thermique de la lingotière ne font que décaler dans le temps la courbe de la quantité de chaleur extraite en fonction du temps dans la zone de refroidissement secondaire, c'est-à-dire que les différentes courbes de variation de la quantité de chaleur extraite dans cette zone peuvent être déduites les unes des autres par une simple translation selon l'axe des temps.
- Conformément à l'invention, on détermine la quantité de chaleur extraite en lingotière, on corrige la courbe de la quantité de chaleur extraite en la décalant parallèlement à l'axe des temps de façon qu'elle passe par le point dont les coordonnées sont, d'une part, le temps de séjour du produit coulé en lingotière et, d'autre part, la quantité de chaleur extraite en lingotière, et on calcule les valeurs de consigne des débits d'eau à partir de la courbe corrigée.
- Pour déterminer la quantité de chaleur extraite en lingotière, on peut mesurer le débit et l'échauffement de l'eau de refroidissement de la lingotière ou bien les débits et les échauffements de l'eau de refroidissement des quatre faces de la lingotière.
- On peut aussi déterminer la quantité de chaleur extraite en lingotière à partir de données stockées dans la mémoire du calculateur et établies par des calculs prévisionnels de simulation et/ou par des essais.
- Lorsque la température superficielle réelle du produit coulé à la sortie de la lingotière n'est pas égale à la température donnée par la courbe des températures superficielles, on corrige cette courbe en reliant par une droite ou une courbe du 2ème ou 3ème degré le point dont les coordonnées sont, d'une part, le temps de séjour en lingotière et, d'autre part, la température superficielle du produit à la sortie de la lingotière à un point de la courbe correspondant à une section supérieure de la zone de refroidissement, et on calcule les valeurs de consigne des débits d'eau à partir de la courbe corrigée.
- La température superficielle du produit coulé à la sortie de la lingotière est mesurée au moyen d'un pyromètre optique ou calculée à partir de la quantité de chaleur extraite en lingotière au moyen d'une courbe établie à l'aide de calculs prévisionnels de simulation.
- Normalement, le profil de température superficielle qui est imposé dans la zone de refroidissement secondaire permet d'atteindre la température souhaitée à la sortie de la zone, notamment au point de redressement de la barre dans une installation de coulée courbe. Cependant, l'efficacité du dispositif de refroidissement peut varier accidentellement, par exemple par encrassement ou usure des buses.
- Conformément à une autre caractéristique de l'invention, on comparè périodiquement la température superficielle de la barre mesurée juste à la sortie de la zone de refroidissement ou au voisinage du point de redressement dans le cas d'une machine courbe et la température souhaitée et, si l'écart entre ces deux valeurs est supérieur à une valeur prédéterminée, on corrige les valeurs de consigne des débits d'eau des dernières sections de la zone de refroidissement secondaire. On corrige,tout d'abord la valeur de consigne du débit d'eau de la dernière section ; l'importance de cette correction est fonction de l'écart des températures. Si au bout d'un temps prédéterminé cet écart est encore trop important, on peut corriger la valeur de consigne des débits d'eau d'une ou plusieurs sections précédentes.
- Par ailleurs, dans le but de respecter les contraintes métallurgiques, on utilise une famille de courbes de quantité de chaleur extraite et de température superficielle qui correspondent à différentes vitesses d'extraction du produit coulé. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, on définit plusieurs classes de vitesses d'extraction et on associe à chaque classe un jeu de courbes de la quantité de chaleur extraite et de la température superficielle. Pour une vitesse d'extraction donnée, on calcule les valeurs de consigne des débits d'eau à partir du jeu de courbes correspondant à la classe dans laquelle entre cette vitesse.
- Lorsque la vitesse est modifiée pendant un court instant (de l'ordre de 2 à 4 minutes) et reprend ensuite sa valeur initiale, on calcule les valeurs de consigne des débits d'eau pendant la durée du régime transitoire à partir des courbes correspondant à la vitesse initiale.
- Lorsque la vitesse d'extraction prend une nouvelle valeur et la conserve durant une période de temps dont la durée est supérieure à une valeur prédéterminée (environ 5 minutes), on établit après l'expiration de cette période de durée prédéterminée et à partir des deux jeux de courbes correspondant aux vitesses initiales et finale une loi de variation des valeurs de consigne des débits d'eau qui limite la vitesse des variations des températures superficielles à une valeur prédéterminée (de 10°C/minute à 200°C/ minute selon les cas) et on calcule les valeurs de consigne en appliquant cette loi jusqu'à ce qu'elles correspondent à la nouvelle vitesse d'extraction.
- On peut aussi diviser le produit coulé en tranches élémentaires fictives, déterminer périodiquement l'âge de chaque tranche, calculer la vitesse d'extraction moyenne pour la tranche considérée, calculer le débit d'eau spécifique à projeter sur cette tranche à partir du jeu de courbes correspondant à cette vitesse moyenne et calculer la valeur de consigne du débit d'eau de chaque section de la zone de refroidissement en intégrant les débits d'eau calculés pour toutes les tranches se trouvant dans la section considérée. La vitesse d'extraction moyenne d'une tranche est définie comme étant le quotient de la distance parcourue par cette tranche dans la machine par l'âge de cette tranche.
- Etant donné que la vitesse moyenne des tranches se trouvant dans une section donnée de la zone de refroidissement varie progressivement dans le temps depuis la vitesse initiale jusqu'à la vitesse finale, les débits d'eau des différentes sections, dont les valeurs de consigne sont calculées périodiquement comme indiqué ci-dessus, vont évoluer graduellement depuis les valeurs qu'ils avaient à la vitesse initiale jusqu'à celles qui correspondent à la nouvelle vitesse.
- Cette division du produit coulé en tranches élémentaires fictives est d'ailleurs utilisée d'une manière générale dans le procédé de l'invention, de la même manière que dans certains procédés connus, pour déterminer à un instant donné l'âge des différentes tranches, informations à partir,desquelles sont calculées les quantités de chaleur à extraire, les températures superficielles, les coefficients d'échange, les débits spécifiques d'eau et les valeurs de consigne des débits d'eau des différentes sections de la zone de refroidissement.
- La description qui suit se réfère aux dessins l'accompagnant qui illustrent le procédé de l'invention et sur lesquels :
- La figure 1 est le schéma d'une machine de coulée continue courbe et du système de contrôle du refroidissement de la barre coulée conforme à l'invention ;
- la figure 2 est une courbe représentant les variations en fonction du temps de la température superficielle de la barre pendant son déplacement dans la machine de coulée ;
- la figure 3 est une courbe représentant les variations en fonction du temps de la quantité de chaleur extraite d'une masse unitaire du produit coulé pendant son déplacement dans la machine de coulée depuis la surface libre du métal dans la lingotière ;
- la figure 4 montre plusieurs courbes de variation de la température superficielle en fonction du temps pour différentes vitesses d'extraction de la barre ;
- la figure- 5 montre plusieurs courbes de variation de la quantité de chaleur extraite en fonction du temps pour différentes vitesses d'extraction de la barre ; et
- la figure 6 est une courbe formée de plusieurs segments valables dans les différentes sections de la zone de refroidissement et représentant les variations du coefficient d'échange thermique superficiel en fonction du débit d'eau spécifique.
- La machine pour la coulée continue de l'acier représentée schématiquement sur la figure 1, comporte essentiellement une lingotière 10, un corset de rouleaux de guidage 12, des rouleaux redresseurs 14 et un dispositif de refroidissement comportant des buses ou des rampes de pulvérisation ou d'atomisation groupées par sections, toutes les buses ou rampes d'une même section étant branchées en parallèle sur une tuyauterie d'alimentation munie d'une vanne l6 dont l'ouverture est commandée par un régulateur 18 pour maintenir le débit d'alimentation égal à un débit de consigne fixé par un calculateur 20. Les buses ou rampes sont réparties tout autour de la barre coulée ou, s'il s'agit d'une barre à section rectangulaire, seulement sur ses grandes faces. Des moyens sont prévus pour régler manuellement la répartition entre les différentes buses ou rampes d'une section, suivant leur position, du débit total d'eau alimentant cette section.
- La machine est équipée de différents dispositifs de mesure dont les informations sont transmises au calculateur 20 : canne thermométrique 22 pour la mesure de la température du métal en fusion dans le répartiteur 24, sondes thermométriques 26 pour la mesure de la température de l'eau de refroidissement de la lingotière, à l'entrée et à la sortie de celle-ci, débitmètre 28 pour la mesure du débit de l'eau de refroidissement de la lingotière, générateur d'impulsions 30 pour la mesure de la vitesse d'extraction de la barre et le calcul de l'âge des éléments de la barre, pyromètre 32 pour la mesure de la température superficielle de la barre au voisinage du point de redressement, etc...
- A partir de ces informations et de données stockées en mémoire dans le calculateur, ce dernier détermine à intervalles réguliers les valeurs de consigne des débits d'alimentation en eau des différentes sections du dispositif de refroidissement. Cet intervalle régulier de temps est compris par exemple entre 1 et 50 secondes.
- Le principe de contrôle du refroidissement conforme à l'invention est de maintenir dans le temps l'évolution de la solidification de la barre quel que soit le régime de fonctionnement de la machine de coulée. Pour cela, on impose une loi de variation de la quantité de chaleur C extraite par kilo d'acier en fonction du temps de séjour dans la machine t (figure 3) à laquelle est associée une loi de variation de la température superficielle T de la barre en fonction du temps de séjour dans la machine t (figure 2). Ces lois dépendent essentiellement de la nuance de l'acier, du format de la barre et de la vitesse d'extraction. En pratique, pour un format de barre donné, on groupera les nuances d'acier et les vitesses d'extraction en différentes classes. Pour les nuances d'acier, le nombre de classes dépendra du carnet de commandes de l'aciérie. Les vitesses d'extraction pourront par exemple être groupées en trois classes : élevées, moyennes et faibles. On devra donc disposer de trois jeux de courbes C = f (t) et T = g (t) pour chaque format de barre et chaque classe de nuance d'acier.
- Les figures 4 et 5 montrent les familles de courbes T = g (t) et C = f (t) respectivement, correspondant aux différentes classes de vitesses V1, V2 et V3 pour un format de barre donné et une classe de nuance d'acier donnée avec V1< V2 < 3
- La température portée sur les courbes T = g (t) peut être la température ponctuelle sur la ligne médiane d'une face de la barre, ou la moyenne des températures sur les lignes médianes des quatre faces de la barre, ou la température moyenne sur la largeur d'une face ou sur toute la périphérie de la barre ; elle peut être aussi la température moyenne sur la partie médiane d'une face de la barre ou la moyenne des températures moyennes des parties médianes des quatre faces de la barre.
- Toutes ces courbes sont définies par des équations paramétriques ou par des valeurs ponctuelles introduites en mémoire dans le calculateur. Les données sur la nuance d'acier et le format de la barre sont introduites dans le calculateur, avant chaque coulée, pour lui permettre de sélectionner le jeu de courbes correspondantes. La vitesse d'extraction est mesurée en permanence au moyen du générateur d'impulsions 30 et le calculateur choisit à chaque instant le jeu de courbes correspondant à la vitesse moyenne déduite de ces mesures.
- A partir du jeu de courbes sélectionné, le calculateur peut, à chaque instant, calculer le coefficient d'échange thermique superficiel K pour chaque élément de la barre à partir de C et T et en déduire le débit d'eau spécifique q devant être projeté sur l'unité de surface de l'élément considéré à l'aide d'une courbe K = h (q) stockée dans la mémoire du calculateur et montrée par la figure 6 ; cette courbe peut être unique pour l'ensemble de la zone de refroidissement ou être formée de plusieurs segments de courbe distincts valables dans les différentes sections de la zone. Cette courbe K = h (q) peut être relative à toute la périphérie de la barre ; dans ce cas on considère le phénomène global. Elle peut aussi être relative aux parties médianes des quatre faces de la barre ; dans ce cas on considère les phénomènes locaux sur la périphérie de la barre.
- Ce calcul est effectué périodiquement, par exemple toutes les 10 s, et la barre est divisée en éléments dont la longueur est celle de la tranche coulée pendant l'intervalle de temps entre deux calculs successifs.. Le numéro d'ordre affecté à chaque tranche dès sa production permet donc à tout instant de connaître son âge et sa position dans la machine. En supposant que, pour une tranche élémentaire fictive de la barre, les courbes C = f (t) et T = g (t) donnent les valeurs C1 et T1 pour un temps de séjour t1 et C2 et T2 pour leur temps de séjour t2 = t1 + Δt, la quantité de chaleur extraite d'une masse unitaire de cette tranche, pendant la période de temps Δ t sera Δ C = C2 - C1.
- Si L est la longueur de la tranche, 1 la largeur de la barre, e son épaisseur et f la masse spécifique du métal, le flux de chaleur extrait de cette tranche au cours de la période à t sera :
- La densité de flux de chaleur extraite par la surface latérale S de la périphérie de la tranche sera :
- La courbe K = h (q) donne, à partir de la valeur calculée de K, le débit d'eau spécifique q pour cette tranche élémentaire qui permet de calculer le débit d'eau Q = q x S à projeter sur la surface latérale de la tranche.
- Cette méthode est légèrement modifiée lorsque les faces de la barre ne sont pas refroidies par projection d'eau sur toute leur largeur. On considère alors seulement les parties médianes des faces de la tranche, c'est-à-dire que S ne représente que la surface totale de ces parties médianes et T est la température superficielle- moyenne sur cette surface.
- Après avoir calculé les débits d'eau à projeter sur chaque tranche de barre se trouvant à un instant donné dans la zone de refroidissement, on calcule par intégration les valeurs de consigne des débits d'eau d'alimentation des différentes sections de la zone de refroidissement et les valeurs calculées sont transmises aux régulateurs respectifs 18.
- Dans le cas où on utilise des buses ou rampes d'atomisation dans lesquelles les jets d'eau sont divisés en très fines gouttelettes au moyen d'air comprimé, on calcule le débit d'eau total de la zone de refroidissement et on en déduit le débit d'air total à utiliser, à l'aide d'une équation ou une courbe établissant une relation entre ces deux débits. Des moyens sont prévus pour régler manuellement la répartition entre les différentes sections du débit total d'air alimentant la zone de refroidissement secondaire.
- Pour déterminer la quantité de chaleur à extraire de chaque tranche élémentaire de la barre dans la zone de refroidissement secondaire, il faut tenir compte de la quantité de chaleur réellement extraite en lingotière. Pour cela on utilise une courbe de base C = f (t) (en trait plein sur la figure 3) correspondant aux conditions de fonctionnement (nuance de l'acier, format de la barre, vitesse d'extraction) que l'on décale parallèlement à l'axe des temps pour la faire passer par le point A dont les coordonnées sont égales, respectivement, au temps de séjour du produit coulé en lingotière t1 et à la quantité de chaleur c1 effectivement extraite en lingotière ; cette nouvelle courbe de formule générale C = f (t-a) est représentée en traits interrompus sur la figure 3.
- A chaque pas de calcul, le calculateur 20 détermine, à partir des valeurs du débit et des températures à l'entrée et à la sortie de l'eau de refroidissement de la lingotière, mesurées en continu par les sondes 26 et le débitmètre 28, ou à partir d'un fichier de valeurs établies à l'aide de calculs prévisionnels de simulation, la quantité de chaleur extraite en lingotière et en déduit le décalage dans le temps qui doit être pris en compte pour la détermination des quantités de chaleur à extraire dans la zone de refroidissement secondaire.
- La température superficielle de la barre à la sortie de la lingotière est mesurée au moyen d'un pyromètre optique ou est calculée à partir d'une courbe établie à l'aide de calculs prévisionnels de simulation et donnant l'évolution de cette température en fonction de la quantité de chaleur extraite en lingotière ; cette courbe est stockée dans la mémoire du calculateur. Si cette température T'l est différente de la température théorique Tl fournie par la courbe T = g (t) (en trait plein sur la figure 2) correspondant aux conditions de fonctionnement, le calculateur corrigera le début de cette courbe en admettant, par exemple, une variation linéaire de la température depuis la sortie de la lingotière jusqu'à un point prédéterminé de la partie supérieure de la zone de refroidissement secondaire (courbe en trait interrompu), de façon à retrouver en ce point la température théorique. C'est cette courbe corrigée que le calculateur utilisera pour déterminer la température superficielle pour le calcul des valeurs de consigne des débits d'eau.
- La mesure de la température superficielle de la barre au voisinage du point de redressement est transmise en continu au calculateur 20 par le pyromètre 32. Si sa valeur s'écarte trop de la valeur souhaitée (par exemple si l'écart est supérieur à 50°C), le calculateur modifie en conséquence les valeurs de consigne calculées pour la ou les dernières sections de la zone de refroidissement secondaire. Le calculateur corrige tout d'abord la consigne du débit d'eau de la dernière section de refroidissement ; l'importance de la correction est fonction de l'écart entre la température mesurée et la température souhaitée. Puis au bout d'un certain temps, qui dépend de la position de la dernière section de refroidissement par rapport au point de redressement, le calculateur corrige les valeurs de consigne des débits d'eau des deux dernières sections de refroidissement si l'écart des températures est encore trop important. Au bout d'une durée qui dépend de la position de l'avant dernière section de refroidissement par rapport au point de redressement, le calculateur maintient ou non, selon l'écart des températures, la correction des consignes des débits d'eau des deux dernières sections. Eventuellement, on pourrait corriger ainsi progressivement les consignes des débits d'eau des trois ou quatre dernières sections de la zone de refroidissement.
- Lorsque la vitesse d'extraction varie, deux cas sont à considérer : si la vitesse est modifiée durant un court instant, de l'ordre de 2 à 4 minutes, et reprend ensuite sa valeur initiale, on impose durant ce régime transitoire les profils thermiques C = f (t) et T = g (t) correspondant à la vitesse initiale, c'est-à-dire que le calculateur continue à utiliser un jeu de courbes correspondant à la classe de vitesses dans laquelle entre la vitesse initiale ; c'est ce qui se produit, par exemple, lors d'un changement de poche ou de répartiteur. Si, au contraire, la vitesse d'extraction prend une nouvelle valeur et la conserve pendant un temps supérieur à un délai prédéterminé, par exemple 5 minutes, on impose, après expiration de ce délai, les profils thermiques correspondant à la nouvelle vitesse d'extraction. En fait, on passe progressivement des profils thermiques correspondant à la vitesse initiale à ceux correspondant à la nouvelle vitesse en suivant une loi déterminée par le calculateur et qui limite la vitesse de réchauffement ou de refroidissement superficiel à une valeur maximale comprise entre 10°C/minute et 200°C/minute.
- Le passage progressif des anciens profils thermiques aux nouveaux peut aussi s'effectuer de la façon suivante : à chaque pas de calcul, le calculateur attribue à chaque tranche élémentaire de la barre une vitesse moyenne fonction de sa position dans la machine et de son âge et calcule le débit d'eau à projeter sur la tranche considérée en utilisant le jeu de courbes C = f (t) et T = g (t) correspondant à la classe de vitesses dans laquelle entre cette vitesse moyenne. Les valeurs de consigne des débits d'eau d'alimentation de chaque section de la zone de refroidissement sont calculées en intégrant les débits-d'eau calculés pour chaque tranche élémentaire se trouvant dans la section considérée. Comme cette vitesse moyenne varie progressivement pour finalement devenir égale à la nouvelle vitesse, si celle-ci est stable, les valeurs de consigne des débits d'eau pour chaque section de la zone de refroidissement vont évoluer graduellement depuis les valeurs qu'elles avaient à la vitesse initiale jusqu'aux valeurs qui correspondent à la nouvelle vitesse.
- En plus des valeurs de consigne du débit d'eau pour les différentes sections de la zone de refroidissement secondaire et, le cas échéant, du débit total d'air utilisé pour l'atomisation de l'eau, le calculateur peut délivrer d'autres informations : proposition d'une vitesse d'extraction optimale en régime permanent qui dépend de la nature du métal, du format du produit et de la température du métal dans le répartiteur, alarmes dans le cas où la température de l'acier dans le répartiteur sort des limites imposées, si les débits d'eau calculés sont supérieurs à des valeurs maximales prédéterminées, si l'écart entre les débits d'eau mesurés et calculés est supérieur à 10 %, si la vitesse réelle d'extraction est supérieure à la vitesse optimale, si la température superficielle au point de redressement est trop basse, etc...
- Le calculateur pourra aussi être avantageusement utilisé pour contrôler l'état du dispositif de refroidissement secondaire entre deux coulées. Pour cela, on alimentera les différentes sections du dispositif de refroidissement ; après avoir fixé des valeurs de consigne des débits au moyen du calculateur on mesurera les débits réels et les pressions réelles et on comparera les valeurs mesurées aux valeurs calculées. Si le dispositif est en bon état (pas d'usure, pas d'encrassement, pas de fuite), il ne doit pas y avoir d'écarts importants entre ces valeurs ; en particulier pour un débit donné, la pression mesurée doit être conforme à la pression calculée. Les pressions calculées sont déterminées par le calculateur à l'aide des courbes pression-débit qui sont stockées dans la mémoire du calculateur et qui sont préétablies à partir de résultats d'essais et de calculs.
- Pour que le procédé de contrôle automatique du refroidissement secondaire objet de l'invention ait une efficacité maximale, il faut que les conditions suivantes soient remplies
- - La zone de refroidissement secondaire doit avoir une longueur importante pour permettre un meilleur contrôle de la solidification de la barre ; en particulier, l'extrémité aval de cette zone doit se trouver le plus près possible du point de redressement afin d'obtenir en ce point une température superficielle de la barre la plus proche'possible de la température imposée par les contraintes métallurgiques.
- - La zone de refroidissement doit être divisée en un nombre aussi grand que possible de sections alimentées séparément de manière à réaliser un contrôle précis du refroidissement et suivre au plus près les lois d'échange thermique imposées.
- - Les dispositifs d'arrosage utilisés dans la zone de refroidissement secondaire doivent avoir une large plage de réglage des débits d'eau. Les profils thermiques imposés dépendent en effet du format de la barre, de la nuance de l'acier et de la vitesse d'extraction et doivent être obtenus par des réglages différents des dispositifs d'arrosage pour couvrir une large gamme de nuances et de vitesses, en régime permanent et en régime transitoire, il faut donc disposer pour chaque section de la zone de refroidissement d'une large plage de réglage du refroidissement, donc d'une large plage de réglage des débits d'eau.
- Pour la réalisation de cette dernière condition, il sera avantageux d'utiliser les dispositifs d'atomisation faisant l'objet des brevets et certificat d'addition 74/00227, 74/09449, 75/38986 et 76/32685, au nom de la demanderesse. Ces dispositifs permettent en effet des variations des débits d'eau dans un rapport de 1 à 6 voire 1 à 10, alors que les dispositifs de pulvérisation classiques permettent des variations des débits dans un rapport de 1 à 3 seulement.
Claims (13)
1. Procédé de contrôle du refroidissement du produit coulé dans une installation de coulée continue suivant lequel on divise le produit coulé en tranches élémentaires fictives et on calcule périodiquement les valeurs de consigne des débits d'eau des différentes sections de la zone de refroidissement secondaire en fonction de l'âge des tranches se trouvant dans les dites sections, caractérisé en ce que les valeurs de consigne des débits d'eau des différentes sections de la zone de refroidissement secondaire sont déterminées périodiquement, au moyen d'un calculateur, à partir d'une première courbe donnant les variations en fonction du temps de la quantité de chaleur extraite d'une masse unitaire du produit coulé, au cours de son trajet depuis la surface libre du métal dans la lingotière jusqu'à la zone de solidification complète ou au-delà, et d'une seconde courbe donnant les variations en fonction du temps, au cours dudit trajet, de la température superficielle du produit coulé, et en ce que, avant chaque calcul, dés valeurs de consigne des debits, on corrige la première courbe en: fonction de la quantité de chaleur extraite en lingotière.
2. Procédé de contrôle du refroidissement du produit coulé dans une installation de coulée continue suivant lequel on divise le produit coulé en tranches élémentaires fictives et on calcule périodiquement les valeurs de consigne des débits d'eau des différentes sections de la zone de refroidissement secondaire en fonction de l'âge des tranches se trouvant dans les dites sections, caractérisé en ce qu'on détermine périodiquement, au moyen d'un calculateur, la quantité de chaleur à extraire de chaque tranche, à l'aide d'une première courbe donnant les variations de la quantité de chaleur extraite.d'une masse unitaire du produit coulé en fonction du temps de séjour de la tranche dans la machine de coulée cette première courbe étant corrigée, avant chaque calcul, en fonction de la quantité de chaleur extraite en lingotière, on détermine la température superficielle de la tranche considérée à l'aide d'une seconde courbe donnant les variations de la température superficielle en fonction du temps de séjour de la tranche dans la machine de coulée, on calcule à partir des valeurs ainsi déterminées le coefficient d'échange thermique pour la tranche considérée, on détermine le débit d'eau spécifique pour la tranche considérée à l'aide d'une autre courbe donnant les variations des débits d'eau spécifiques en fonction du coefficient d'échange thermique, on calcule le débit d'eau à projeter sur la tranche considérée, on intègre les débits d'eau pour toutes les tranches se trouvant à l'instant considéré dans chaque section- de la zone de refroidissement pour déterminer les valeurs de consigne des débits d'eau des différentes sections, et on maintient, au moyen de régulateurs, les débits d'alimentation en eau des différentes sections égaux aux valeurs de consigne respectives.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on corrige la première courbe en la décalant parallèlement à l'axe des temps de façon à la faire passer par le point dont les coordonnées sont, d'une part, le temps de séjour du produit coulé en lingotière et, d'autre part, la quantité de chaleur extraite en lingotière.
4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on détermine à partir de mesures ou de résultats de calculs prévisionnels la température superficielle du produit coulé à la sortie de la lingotière et si cette température diffère de la température correspondante donnée par la seconde courbe, on corrige cette courbe avant chaque calcul des valeurs de consigne des débits, en reliant par une droite ou une courbe du 2ème ou 3ème degré le point dont les coordonnées sont, d'une part, le temps de séjour en lingotière et, d'autre part, ladite température superficielle déterminée à partir de mesures ou à partir de résultats de calculs prévisionnels à un point de cette seconde courbe correspondant à une section supérieure de la zone de refroidissement secondaire.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on compare périodiquement la température superficielle du produit coulé mesurée à la sortie de la zone de refroidissement et la température souhaitée et, si l'écart entre ces deux valeurs est supérieur à une valeur prédéterminée, on corrige les valeurs de consigne des débits d'eau de la ou des dernières sections de la zone de refroidissement.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour un format de barre et une nuance d'acier donnés, on groupe les vitesses d'extraction du produit coulé en plusieurs classes, on établit un jeu de première et seconde courbes pour chaque classe de vitesses, on mesure la vitesse d'extraction et on calcule les valeurs de consigne des débits en utilisant le jeu de courbes correspondant à la classe des vitesses dans laquelle entre la vitesse mesurée.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que lorsque la vitesse d'extraction du produit coulé varie, la substitution du jeu de courbes correspondant à la nouvelle vitesse au jeu de courbes correspondant à la vitesse initiale n'est effectuée qu'à l'expiration d'un délai prédéterminé, si la vitesse d'extraction n'a pas repris sa valeur initiale.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la substitution d'un jeu de courbes à un autre est effectué progressivement de façon que la vitesse des variations de la température superficielle du produit coulé soit comprise entre 10°C et 200°C par minute.
9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on détermine périodiquement l'âge de chaque tranche élémentaire, on calcule la vitesse d'extraction moyenne de chaque tranche, on calcule le débit d'eau spécifique pour la tranche considérée à l'aide du jeu de courbes correspondant à cette vitesse d'extraction moyenne, on calcule le débit d'eau à projeter sur la tranche considérée et on intègre les débits d'eau de toutes les tranches se trouvant dans chaque section de la zone de refroidissement pour déterminer les valeurs de consigne des débits d'eau des différentes sections.
10. Procédé de contrôle du refroidissement du produit coulé dans une installation de coulée continue équipée de buses ou rampes d'atomisation, caractérisé en ce qu'on calcule le débit d'air total alimentant les buses ou rampes de la zone de refroidissement à l'aide d'une équation établissant une relation entre les débits d'air et d'eau dans la zone de refroidissement.
11. Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde courbe donne les variations, en fonction du temps de séjour, de la température superficielle sur la ligne médiane d'une face du produit coulé ou la moyenne des températures superficielles sur les lignes médianes des quatre faces.
12. Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la seconde courbe donne les variations, en fonction du temps de séjour, de la température superficielle moyenne sur au moins une partie médiane d'une face du produit coulé.
13. Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la seconde courbe donne les variations, en fonction du temps de séjour, de la température moyenne sur toute la largeur d'une ou plusieurs faces du produit coulé.
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