EP1192019B1 - Procede et installation de mesure et de regulation de la vitesse d'ecoulement d'un metal liquide dans une lingotiere de coulee continue - Google Patents

Procede et installation de mesure et de regulation de la vitesse d'ecoulement d'un metal liquide dans une lingotiere de coulee continue Download PDF

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EP1192019B1
EP1192019B1 EP00936984A EP00936984A EP1192019B1 EP 1192019 B1 EP1192019 B1 EP 1192019B1 EP 00936984 A EP00936984 A EP 00936984A EP 00936984 A EP00936984 A EP 00936984A EP 1192019 B1 EP1192019 B1 EP 1192019B1
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EP
European Patent Office
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current
inductor
voltage
speed
electromagnetic brake
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP00936984A
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German (de)
English (en)
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EP1192019A1 (fr
Inventor
Marcel Garnier
Roland Ernst
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal
    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B22D11/114—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means
    • B22D11/115—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means by using magnetic fields

Definitions

  • the present invention relates to the field of installations metallurgical and, more particularly, installations continuous casting of a liquid metal in an ingot mold.
  • Figure 1 shows, very schematically and partially by a perspective view, the entrance section a mold 1 for metallurgical continuous casting.
  • the ingot mold essentially includes a mold 2, open to both ends in the case of continuous casting.
  • Liquid metal is brought into the mold by a submerged nozzle 3, plunging in the mold 2.
  • the nozzle 3 has lateral openings 4 which have aim to give a horizontal component at the speed of liquid metal at the outlet of the nozzle 3.
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a conventional mold 1 illustrating, by arrows, the movements of the molten metal in the inlet section of the mold 2.
  • the horizontal component given by the vents 4 of the nozzle 3 at the speed of the liquid metal, has the effect of limiting the vertical depth of penetration of the metal supply jet into the mold 2.
  • the liquid metal 1 comes, for example, from a crucible 5 (for example, of the blast furnace type).
  • the crucible 5 comprises, in its lower part, an orifice 6 associated with a controllable closure means 7 for controlling the pouring of the liquid metal into the nozzle 3.
  • the speed of the liquid metal leaving the nozzle 3 can reach several meters per second.
  • a first type of electromagnetic brake uses a continuous magnetic field in a direction perpendicular to the metal flow speed, which gives rise to induced currents. These induced currents interact with the applied magnetic field and generate an electromagnetic force which is a braking force aimed at canceling the speed at the origin of induced currents.
  • Such magnetic field systems continuous are usually made up of an electromagnet completely or partially surrounding the ingot mold, and which produces a magnetic field transverse to the liquid metal.
  • Such systems have the disadvantage of being passive, i.e. the magnetic field is of geometry and position fixed once for all, which means that any deviation from an operating point given reduces the braking efficiency. Therefore, this braking is ineffective when the supply conditions (speed, nozzle shape, depth of immersion of nozzle openings, etc.) change.
  • a second category of electromagnetic brakes so-called sliding field uses an alternating magnetic field produced by a polyphase supply applied to inductors with an adapted spatial distribution.
  • the magnetic field is thus driven by a rotational or translational movement depending on whether the shape of the inductor is cylindrical or planar.
  • Of such magnetic fields make it possible to accelerate or brake liquid metal flows in metallurgical continuous casting.
  • the system is active here since the mechanical effect induced in the liquid metal is independent of the liquid velocity and is is therefore controlled by the operator.
  • the present invention relates, more particularly, continuous casting installations equipped with a electromagnetic brake with sliding magnetic field.
  • a sliding magnetic field brake In practice, in industrial installations of metallurgical continuous casting, a sliding magnetic field brake consists of four associated sliding field inductors in pairs on each side of the mold 2 of the mold. In the figure 1, two of these inductors have been illustrated schematically and designated by the reference 9. In FIG. 2, these two inductors have been shown in dotted lines. On the same side of the mold, the two inductors are, as illustrated in figure 1, arranged symmetrically with respect to the axis of the nozzle 3 on the one hand and other of it to balance the distribution of the metal.
  • a classic method for adjusting the electromagnetic field sliding in an ingot mold of the type illustrated by figures 1 and 2 consists in modeling the flow in a test structure using, for example, water for set the excitation frequency of the inductors. Such a method is described in particular in the patent application European N ° 0550785 already mentioned.
  • a first solution to know this speed would be to use strain gauges attached to rods immersed in the liquid steel of the ingot mold. By measuring a signal related to the hydrodynamic force exerted by the steel liquid on the stems, we can then detect any asymmetry flow and, therefore, if necessary correct it by modification of the power injected into the inductors 9.
  • rods for example of alumina, poses several problems.
  • a first problem is that these rods constitute a intrusive element in the mold which is likely to introduce pollution in the product obtained, in particular, by erosion of the stems linked to the pouring of liquid metal.
  • the present invention aims to overcome the drawbacks conventional metallurgical continuous casting installations.
  • the invention aims, more particularly, to allow an order individualized inductors of an electromagnetic brake to sliding field of such an installation.
  • the present invention also aims to provide a solution which does not cause any pollution of the liquid metal in casting course.
  • the invention also aims to propose a solution which is particularly economical and requires no maintenance in consumable material.
  • the present invention further aims to provide a solution which is particularly suitable for a servo individualized powers injected into the inductors generating the sliding magnetic field.
  • the present invention provides a method of measuring the flow rate of a metal molten liquid in an ingot mold equipped with an electromagnetic brake sliding field, consisting of measuring the voltage or the current of at least one power source of the electromagnetic brake and extract the flow velocity from this information.
  • speed measurement is used to control the excitation of inductors on a predetermined value.
  • the present invention also provides a method of regulation of a continuous casting speed of a molten metal in an ingot mold, consisting supplying the electromagnetic brake with current, respectively with voltage, by at least one constant power source; to control the voltage respectively the current from said power source on a measure of the voltage respectively of the current in each inductor.
  • the present invention also provides an installation for continuous casting of the type using an electromagnetic brake sliding field to organize the flow of a liquid metal delivered by two vents from a nozzle, characterized in that each electromagnetic brake inductor is powered by a circuit individual; and in that the installation includes means for regulate the current, respectively the supply voltage of each inductor from a measurement of the variations of the current, respectively of the supply voltage of the inductors in order to maintain the flow rates of the liquid metal balanced between the two gills.
  • each supply circuit of each inductor includes its own means of regulating the excitation power electromagnetic of this inductor.
  • the installation includes a circuit control center supply of the different inductors to regulate the speed liquid metal flow.
  • a feature of the present invention is take advantage of an individual diet of different electromagnetic sliding field brake inductors for extract electrical characteristics from this power supply inductors, information relating to the flow velocity liquid metal in the mold.
  • the fact that the currents induced by the conductive liquid metal in the field magnetic field created by inductors depend, among other things, on the liquid metal flow speed.
  • any disturbance that causes a variation of this speed results in a variation of the impedance of the inductors sensitive to the corresponding induced current.
  • the inductors a constant power source either with current or in tension, and we examine the possible variation of the other quantity (voltage or current) to deduce a variation of the liquid metal flow speed.
  • this speed can be located from the moment the inductors are powered separately from each other.
  • This information can, in a preferred embodiment, be used in feedback a control system for feeding the different inductors to control the flow speed of the metal on an equilibrium point corresponding to a set point of given speed, for example, calculated from modeling as described in European patent application No. 0550785.
  • FIG. 3 very schematically illustrates the position of four inductors in a continuous casting installation. For simplification, only the inductors 9 and a parallelogram symbolizing the liquid metal 1 between these inductors have been shown.
  • each inductor 9 is made up of several nested amps / turns capable of being respectively supplied by different phases.
  • Each inductor 9 therefore comprises two circuits, respectively 10 and 11, of conducting ampere-turns nested in a magnetic yoke 12 opposite the metal l with respect to the plane xz in which the conducting circuits 10 and 11 are inscribed.
  • a first conducting circuit 11 corresponding to a first phase consists of three packages of conductors 13, 14, 15.
  • the number of conductors of the central package 15 corresponds to twice the number of conductors of the packages 13 and 14 which surround two packages 16, 17 of conductors of the second circuit 10 intended to be supplied by the second phase of the two-phase supply.
  • the bundles of conductors are directly connected in phase at one of their ends and, via the power source (not shown in FIG. 3), at their other respective ends.
  • the bundles of conductors of the different inductors are in the vertical direction z . They are, for example, connected directly by their respective lower ends.
  • the organization of the current flows as illustrated in FIG. 3 is perfectly conventional and will not be detailed further. It will simply be noted that the invention can be implemented in a system comprising a greater number of phases, for example in a three-phase or polyphase system of greater number while respecting the usual nesting of the phases to obtain a polyphase sliding field system. . It will also be noted that, as illustrated by the representations of the directions of current flow in FIG. 3, the x axis corresponds to an axis of longitudinal symmetry which is in fact an anti-symmetry axis for the inductors 9 which are face two by two.
  • the vector potential A, the current density j , and the electric field E have a single component along the vertical axis z
  • the speed of the induced metal v has a single component along the longitudinal axis x
  • the magnetic induction B has two components along the horizontal axes x and y .
  • the speed of synchronism v s of the sliding electromagnetic field is equal to the product of the operating frequency f of the alternating excitation of the two phases by the wavelength ⁇ of the sliding field wave. It will be noted that the real speed v of the metal is opposite to this synchronism speed which also includes only one component along the longitudinal axis x .
  • the density current is 6.75.10 6 effective amps per m 2 .
  • the wavelength ⁇ of the sliding field is then about 1.3 m.
  • the synchronism speed v s is then 84.5 cm / s.
  • ⁇ 100.10 -8 ⁇ m
  • the respective values of the total voltage for the bundles of conductors For example, for bundles 16 and 17 of 40 conductors of square section of 20x20 mm 2 in series, which amounts to considering bundles of 40 turns in each of which passes an effective current of 2700 A, we obtain voltages of 38, 66 volts and 36.74 volts in module for, respectively, 10 cm / s and 9 cm / s. Consequently, the voltage of the corresponding phase decreases in modulus by approximately 2/38, or approximately 5%. On the impedance of the corresponding phrase, the variation is also of the order of 5% for the same variation in speed of the metal.
  • FIG. 4 illustrates, by a top view of an ingot mold, the respective electrical connections according to the invention two-phase inductors illustrated in Figure 3.
  • the direct connections between different packets of conductors, for example, in the lower part of the system, have been symbolized by dotted lines.
  • the nozzle 3 has been shown schematically in Figure 4 in the center of the mold 2.
  • Each inductor 9 has been symbolized by its magnetic yoke 12 and its two conducting circuits 10, 11 formed, in the direction vertical, respectively of two packages 16, 17 of the same number of conductors and three packages 13, 14, 15, the central package 15 with double the number of conductors end 13 and 14.
  • each circuit 10 is connected directly, for example, by a cable 18 in the lower part.
  • packets 13 and 14 are each connected to the package 15, for example, by cables, 19 and 20 respectively.
  • the conducting circuits 10 and 11 of each inductor 9 are connected individually to a supply circuit 21 specific to the inductor concerned. So, packages 13 and 14, package 15, package 16 and the package 17 are connected to a circuit 21 by respective cables 22, 23, 24 and 25.
  • all the circuits 21 have a structure identical which will be described later in relation to the figure 5.
  • Each circuit is individually connected to a central 26, for example, by cables 27.
  • the cables 27 have been illustrated as comprising several independent conductors to bring, to each supply circuit 21, the different phases of alternative power required as well that, where appropriate, appropriate control signals provided via the control unit 26. Note, however, that only the signals of command could be individualized and that drivers polyphase power supply could be common to different circuits 21, these then being responsible for adapting the powers to provide to each of the inductors.
  • FIG. 5 very schematically represents the constitution of a supply circuit 21 of an inductor according to the present invention.
  • circuit 21 of FIG. 5 comprises two current sources 31 and 32 supplying, for example, cables 23 and 25 respectively associated with bundles of conductors 15 and 16 as illustrated in relationship with FIG. 4.
  • the current sources 31 and 32 are, according to the invention, controllable, respectively, by signals 33 and 34 delivered by regulation circuits, respectively 35 and 36.
  • Each circuit 35, 36 measures the voltage between, respectively, conductors 22 and 23 and conductors 24 and 25. These voltage measurements are intended to assess the speed of the liquid metal next to the corresponding inductor.
  • each regulator 35, 36 receives a setpoint 37, 38 from the central 26 ( Figure 4) and is responsible for controlling the current delivered by sources 31 and 32 to allow a speed regular and balanced in the mold.
  • control unit 26 we can also provide for regulation to be carried out directly by control unit 26, or that a voltage measurement is used to calculate the speed so that it can be used by the central 26.
  • the inductors are supplied with a voltage of predetermined value controllable and use a current measurement whose variations will then be a function of speed, thus allowing to react on the supply voltage source.
  • An advantage of the present invention is that it allows a measurement of the speed of the liquid metal in the ingot mold without physical contact with liquid metal.
  • Another advantage of the present invention is that it lends itself particularly well to the control of systems continuous casting since it is very easy to react on the current or the voltage in the inductors.
  • Another advantage of the present invention is that it does not require any modification of conventional installations of electromagnetic sliding field continuous casting, with the exception of the control circuits of the various inductors.
  • the present invention is capable of various variants and modifications which will appear to the man of art.
  • the adaptation of the process according to the number of phases of electromagnetic field brake systems sliding is within the reach of those skilled in the art depending on the application and functional indications given above.
  • the numerical values indicated in the description above were only to show the feasibility industrial invention and have only illustrative value.
  • the present invention can be implementation in any continuous casting system whatever either the shape of the ingot mold, provided that it uses an active electromagnetic sliding field brake system.

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Description

La présente invention concerne le domaine des installations métallurgiques et, plus particulièrement, les installations de coulée continue d'un métal liquide dans une lingotière.
La figure 1 représente, de façon très schématique et partiellement par une vue en perspective, la section d'entrée d'une lingotière 1 de coulée continue métallurgique. La lingotière comprend essentiellement un moule 2, ouvert à ses deux extrémités dans le cas d'une coulée continue. Le métal liquide est amené dans la lingotière par une buse 3 immergée, plongeant dans le moule 2. La buse 3 présente des ouïes latérales 4 qui ont pour but de donner une composante horizontale à la vitesse du métal liquide en sortie de la buse 3.
La figure 2 est une vue en coupe schématique d'une lingotière classique 1 illustrant, par des flèches, les mouvements du métal liquide dans la section d'entrée du moule 2. Comme l'illustre cette figure 2, la composante horizontale, donnée par les ouïes 4 de la buse 3 à la vitesse du métal liquide, a pour effet de limiter la profondeur verticale de pénétration du jet d'alimentation de métal dans le moule 2. Le métal liquide 1 est issu, par exemple, d'un creuset 5 (par exemple, du type haut fourneau). Dans l'exemple représenté à la figure 2, le creuset 5 comporte, dans sa partie inférieure, un orifice 6 associé à un moyen d'obturation commandable 7 pour commander le déversement du métal liquide dans la buse 3. Dans les installations classiques, la vitesse du métal liquide en sortie de la buse 3 peut atteindre plusieurs mètres par seconde. Il est donc important de pouvoir contrôler la pénétration du métal liquide dans la coulée. En effet, une trop grande pénétration de ce métal liquide pose plusieurs problèmes. Parmi ceux-ci, on notera un entraínement de particules non-métalliques provenant de la poudre ou peau (non représentée) qui recouvre le lingot 8 coulé dans le moule 2. Ces particules se trouvent piégées dans le métal obtenu. Une trop grande pénétration du métal liquide entraíne également un gradient thermique inversé puisque le métal liquide chaud affecte les régions profondes de la coulée et provoque, notamment, une refusion locale en profondeur du lingot solidifié au moins partiellement, ce qui nuit également à la qualité du produit.
Pour limiter la vitesse du métal liquide, on a recours à des systèmes de freinage et, en particulier, à des systèmes de frein électromagnétique.
Un premier type de frein électromagnétique utilise un champ magnétique continu dans une direction perpendiculaire à la vitesse de l'écoulement du métal, ce qui donne naissance à des courants induits. Ces courants induits interagissent avec le champ magnétique appliqué et engendrent une force électromagnétique qui est une force de freinage visant à annuler la vitesse à l'origine des courants induits. De tels systèmes à champ magnétique continu sont généralement constitués d'un électro-aimant entourant totalement ou partiellement la lingotière, et qui produit un champ magnétique transversal au métal liquide. De tels systèmes ont l'inconvénient d'être passifs, c'est-à-dire que le champ magnétique est de géométrie et de position fixées une fois pour toutes, ce qui entraíne que tout écart à un point de fonctionnement donné réduit l'efficacité du freinage. Par conséquent, ce freinage se révèle inefficace lorsque les conditions d'alimentation (vitesse, forme de la buse, profondeur d'immersion des ouïes de la buse, etc.) changent.
Une deuxième catégorie de freins électromagnétiques dits à champ glissant utilise un champ magnétique alternatif produit par une alimentation polyphasée appliquée à des inducteurs présentant une répartition spatiale adaptée. Le champ magnétique est ainsi animé d'un mouvement de rotation ou de translation selon que la forme de l'inducteur est cylindrique ou plane. De tels champs magnétiques permettent d'accélérer ou de freiner les écoulements du métal liquide dans la coulée continue métallurgique. Le système est ici actif puisque l'effet mécanique induit dans le métal liquide est indépendant de la vitesse liquide et se trouve donc contrôlée par l'opérateur.
La présente invention concerne, plus particulièrement, les installations de coulée continue équipées d'un système de frein électromagnétique à champ magnétique glissant.
En pratique, dans les installations industrielles de coulée continue métallurgique, un frein à champ magnétique glissant se compose de quatre inducteurs à champ glissant associés par paire de chaque côté du moule 2 de la lingotière. A la figure 1, deux de ces inducteurs ont été illustrés de façon schématique et désignés par la référence 9. A la figure 2, ces deux inducteurs ont été illustrés en pointillés. D'un même côté de la lingotière, les deux inducteurs sont, comme l'illustre la figure 1, disposés symétriquement par rapport à l'axe de la buse 3 de part et d'autre de celle-ci pour équilibrer la distribution du métal.
Un exemple de système de frein électromagnétique dans une installation de coulée continue métallurgique est décrit, par exemple, dans la demande de brevet européen N° 0550785.
Un problème qui se pose est que la géométrie des ouïes 4 de la buse 3 évolue dans le temps, en particulier, en raison d'une érosion de ces ouïes par l'écoulement rapide de l'acier liquide dans la buse. Cette érosion n'évolue pas forcément de façon symétrique, ce qui entraíne alors une dissymétrie hydrodynamique dans la lingotière en raison d'un écoulement plus important d'un côté de la buse 3 par rapport à l'autre. Un tel déséquilibre est nuisible à la qualité du produit fini car il conduit non seulement à l'introduction de particules non métalliques provenant de la peau du métal liquide mais également à des durées de solidification différentes d'un côté à l'autre du lingot formé.
Il serait donc souhaitable de pouvoir différencier les actions des inducteurs 9 de champ magnétique glissant pour rétablir l'équilibre de l'injection dans la lingotière.
Pour cela, on pourrait penser alimenter les quatre inducteurs de façon séparée de façon à fournir de nombreuses combinaisons dans l'organisation des mouvements du métal liquide. En particulier, on pourrait alors individualiser le freinage des jets de métal liquide d'un côté ou de l'autre de la buse 3.
Toutefois, l'individualisation théorique des effets des différents inducteurs sur la coulée de métal pose des problèmes de mise en pratique liés, en particulier au besoin de connaítre alors la vitesse réelle de la coulée de métal à un instant donné. De plus, cette vitesse courante d'injection du métal doit être connue de part et d'autre de la buse 3.
Une méthode classique pour régler le champ électromagnétique glissant dans une lingotière du type de celle illustrée par les figures 1 et 2 consiste à modéliser l'écoulement dans une structure de test utilisant, par exemple, de l'eau pour fixer la fréquence d'excitation des inducteurs. Une telle méthode est décrite en particulier dans la demande de brevet européen N° 0550785 déjà mentionnée.
Il est clair qu'une telle méthode ne peut pas permettre de connaítre en temps réel la vitesse de l'écoulement à travers les deux ouïes 4 de la buse 3 et, plus particulièrement, de détecter un déséquilibre dans cet écoulement.
Une première solution pour connaítre cette vitesse serait d'utiliser des jauges de contrainte fixées à des tiges plongées dans l'acier liquide de la lingotière. En mesurant un signal relié à l'effort hydrodynamique exercé par l'acier liquide sur les tiges, on peut alors détecter toute dissymétrie d'écoulement et, par conséquent, le cas échéant corriger celle-ci par modification de la puissance injectée dans les inducteurs 9. Toutefois, le recours à des tiges, par exemple d'alumine, pose plusieurs problèmes.
Un premier problème est que ces tiges constituent un élément intrusif dans la lingotière qui est susceptible d'introduire des pollutions dans le produit obtenu, en particulier, par une érosion des tiges liée à la coulée de métal liquide.
Un autre inconvénient est que l'usure par érosion de ces tiges de mesure rend cette solution, en pratique, difficilement viable économiquement en raison de la consommation alors importante des tiges d'alumine dans un processus industriel.
La présente invention vise à pallier les inconvénients des installations de coulée continue métallurgique classiques. L'invention vise, plus particulièrement, à permettre une commande individualisée des inducteurs d'un frein électromagnétique à champ glissant d'une telle installation.
La présente invention vise également à proposer une solution qui n'entraíne aucune pollution du métal liquide en cours de coulée.
L'invention vise également à proposer une solution qui soit particulièrement économique et ne nécessite pas de maintenance en matériau consommable.
La présente invention vise en outre à proposer une solution qui soit particulièrement adaptée à un asservissement individualisé des puissances injectées dans les inducteurs générant le champ magnétique glissant.
Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un procédé de mesure de la vitesse d'écoulement d'un métal liquide en fusion dans une lingotière équipée d'un frein électromagnétique à champ glissant, consistant à mesurer la tension ou le courant d'au moins une source d'alimentation du frein électromagnétique et à extraire la vitesse d'écoulement de cette information.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé est appliqué à un frein électromagnétique dont au moins un inducteur comprend deux paquets de plusieurs conducteurs dans une direction verticale, et consiste à appliquer, pour chaque conducteur, la relation suivante : gradV=-i(ω-νk)A-ρj, où ω représente la pulsation d'excitation alternative du champ glissant, où v représente la vitesse du métal, où k représente le nombre d'ondes du champ magnétique glissant inducteur, où A représente le potentiel vecteur, où ρ représente la résistivité du métal, où j représente la densité de courant d'excitation du conducteur, et où V représente la tension aux bornes de l'inducteur, i désignant la partie imaginaire d'un nombre complexe.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la mesure de vitesse est utilisée pour asservir l'excitation des inducteurs sur une valeur prédéterminée.
La présente invention prévoit aussi un procédé de régulation d'une vitesse de coulée continue d'un métal en fusion dans une lingotière, consistant à alimenter le frein électromagnétique en courant, respectivement en tension, par au moins une source d'alimentation constante; à asservir la tension respectivement le courant de la dite source d'alimentation sur une mesure de la tension respectivement du courant dans chaque inducteur.
La présente invention prévoit aussi une installation de coulée continue du type utilisant un frein électromagnétique à champ glissant pour organiser l'écoulement d'un métal liquide délivré par deux ouïes d'une buse, caractérisée en ce que chaque inducteur du frein électromagnétique est alimenté par un circuit individuel ; et en ce que l'installation comporte des moyens pour réguler le courant, respectivement la tension d'alimentation de chaque inducteur à partir d'une mesure des variations du courant, respectivement de la tension d'alimentation des inducteurs afin de maintenir les vitesses d'écoulement du métal liquide équilibrées entre les deux ouïes.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque circuit d'alimentation de chaque inducteur comprend ses propres moyens de régulation de la puissance d'excitation électromagnétique de cet inducteur.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'installation comprend une centrale de commande des circuits d'alimentation des différents inducteurs pour réguler la vitesse d'écoulement du métal liquide.
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
  • les figures 1 et 2 qui ont été décrites précédemment représentent un exemple d'installation de coulée métallurgique continue du type auquel s'applique la présente invention ;
  • la figure 3 représente, de façon très schématique, les positions respectives des inducteurs dans un système de coulée continue auquel s'applique la présente invention ;
  • la figure 4 est une vue de dessus d'une lingotière équipée d'un système d'asservissement de vitesse de coulée selon l'invention ; et
  • la figure 5 représente, de façon schématique, un mode de réalisation d'un circuit de commande d'un inducteur selon l'invention.
    • Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments qui sont nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures et seront décrits par la suite. On pourra se référer à la littérature, en particulier à la demande de brevet européen N° 0550785, pour la constitution d'une installation de coulée continue à frein électromagnétique actif à champ glissant, l'invention ne modifiant pas la structure des installations classiques.
    Une caractéristique de la présente invention est de tirer profit d'une alimentation individuelle des différents inducteurs d'un frein électromagnétique à champ glissant pour extraire, des caractéristiques électriques de cette alimentation des inducteurs, une information relative à la vitesse d'écoulement du métal liquide dans la lingotière.
    Selon la présente invention, on utilise le fait que les courants induits par le métal liquide conducteur dans le champ magnétique créé par les inducteurs dépendent, entre autres, de la vitesse d'écoulement du métal liquide. En particulier, en supposant que le système est stabilisé pour une vitesse de métal correspondant à un régime permanent d'écoulement du métal liquide, une perturbation quelconque qui entraíne une variation de cette vitesse se traduit par une variation de l'impédance du ou des inducteurs sensibles au courant induit correspondant. Ainsi, selon la présente invention, on utilise pour alimenter les inducteurs, une source d'alimentation constante soit en courant soit en tension, et on examine la variation éventuelle de l'autre grandeur (tension ou courant) pour en déduire une variation de la vitesse d'écoulement du métal liquide. De plus, cette vitesse peut être localisée à partir du moment où les inducteurs sont alimentés séparément les uns des autres. Cette information peut, dans un mode de réalisation préféré, être utilisée en contre-réaction d'un système d'asservissement de l'alimentation des différents inducteurs afin d'asservir la vitesse d'écoulement du métal sur un point d'équilibre correspondant à une consigne de vitesse donnée, par exemple, calculée à partir d'une modélisation telle que décrite dans la demande de brevet européen N° 0550785.
    La figure 3 illustre, de façon très schématique, la position de quatre inducteurs dans une installation de coulée continue. Par souci de simplification, seuls les inducteurs 9 ainsi qu'un parallélogramme symbolisant le métal liquide 1 entre ces inducteurs ont été représentés.
    De façon classique, chaque inducteur 9 est constitué de plusieurs ampères/tours imbriqués propres à être respectivement alimentés par des phases différentes. Dans l'exemple de la figure 3, on a supposé un système de frein électromagnétique diphasé. Chaque inducteur 9 comporte donc deux circuits, respectivement 10 et 11, d'ampères-tours conducteurs imbriqués dans une culasse magnétique 12 opposée au métal l par rapport au plan x-z dans lequel s'inscrivent les circuits conducteurs 10 et 11. Un premier circuit conducteur 11 correspondant à une première phase est constitué de trois paquets de conducteurs 13, 14, 15. Le nombre de conducteurs du paquet central 15 correspond au double du nombre de conducteurs des paquets 13 et 14 qui encadrent deux paquets 16, 17 de conducteurs du deuxième circuit 10 destinés à être alimentés par la deuxième phase de l'alimentation diphasée. Pour former les ampères-tours adaptés, les paquets de conducteurs sont reliés directement par phase à une de leur extrémité et, par l'intermédiaire de la source d'alimentation (non représentée à la figure 3), à leurs autres extrémités respectives. Ainsi, dans l'exemple de la figure 3 où l'axe vertical z est dans le sens de la coulée, et où les axes horizontaux x, y · sont respectivement dans la plus grande direction du métal liquide l correspondant à l'alignement des ouïes (4, figure 1) de la buse d'injection et dans la plus petite direction du métal liquide l, les paquets de conducteurs des différents inducteurs sont dans la direction verticale z. Ils sont, par exemple, reliés en direct par leurs extrémités inférieures respectives. Par le raccordement des paquets de conducteurs, les ampères-tours sont traversés par un courant qui, dans les tronçons verticaux, se trouve inversé selon qu'il s'agit des conducteurs 13, 14 ou 15 pour le premier circuit 11, et 16 ou 17 pour le deuxième circuit 10. Afin d'illustrer cette circulation dans des sens opposés, on a indiqué un exemple de circulation de courant à la figure 3, symbolisé par un "." ou une "x" selon le sens de circulation dans les tronçons verticaux.
    L'organisation des circulations de courant telle qu'illustrée à la figure 3 est parfaitement classique et ne sera pas détaillée plus avant. On notera simplement que l'invention peut être mise en oeuvre dans un système comportant un plus grand nombre de phases, par exemple dans un système triphasé ou polyphasé de nombre supérieur en respectant l'imbrication habituelle des phases pour obtenir un système de champ glissant polyphasé. On notera également que, comme l'illustrent les représentations des sens de circulation de courant à la figure 3, l'axe x correspond à un axe de symétrie longitudinale qui est en fait un axe d'anti-symétrie pour les inducteurs 9 qui se font face deux à deux.
    Dans un système de frein électromagnétique à champ glissant tel qu'illustré par les figures précédentes, on peut considérer que le potentiel vecteur A, la densité de courant j, et le champ électrique E ont une seule composante suivant l'axe vertical z, que la vitesse du métal induit v a une seule composante suivant l'axe longitudinal x, et que l'induction magnétique B a deux composantes selon les axes horizontaux x et y.
    La vitesse de synchronisme vs du champ électromagnétique glissant est égale au produit de la fréquence f de fonctionnement de l'excitation alternative des deux phases par la longueur d'onde λ de l'onde de champ glissant. On notera que la vitesse réelle v du métal est opposée à cette vitesse de synchronisme qui ne comprend également qu'une seule composante selon l'axe longitudinal x.
    Les équations qui régissent le fonctionnement du frein électromagnétique, respectivement dans l'inducteur, dans l'air, dans la culasse magnétique et dans le métal induit peuvent s'exprimer de la façon suivante en projection sur l'axe vertical z où l'inconnue unique est la composante A suivant 0z du potentiel vecteur A .
    Dans l'inducteur, on peut écrire :
    Figure 00100001
    où Ji représente la densité de courant imposé dans l'inducteur par l'alimentation, et où µ0 représente la perméabilité du vide.
    Dans l'air, on peut écrire :
    Figure 00100002
    Dans la culasse magnétique, on peut écrire :
    Figure 00100003
    où µr est la perméabilité relative du milieu magnétique.
    Dans le métal induit, on peut écrire :
    Figure 00110001
    où ω représente la pulsation électrique de l'alimentation alternative (ω = 2πf), et où ρ représente la résistivité du métal liquide.
    En première approximation, on peut, afin de négliger les effets de bord, considérer que le potentiel vecteur A est une onde glissante due à une nappe inductrice infiniment longue suivant la direction longitudinale x. On peut alors considérer que la seule composante A du potentiel vecteur suivant l'axe vertical z peut s'écrire sous la forme : A = A0ei(ωt-kx), où k représente le nombre d'ondes du champ magnétique glissant inducteur (k = 2π/λ).
    Avec cette approximation, la relation précédente dans le métal induit peut s'exprimer en projection sur l'axe vertical comme étant égal à :
    Figure 00110002
    En introduisant la vitesse de synchronisme de l'inducteur dans cette équation, on obtient :
    Figure 00110003
    Toutes les expressions ci-dessus montrent que les seules grandeurs variables pour un courant donné sont le potentiel A et la vitesse v du métal liquide.
    On notera que plutôt que le courant, c'est la densité de courant qui doit être fixée. Cependant, le nombre de conducteurs par paquet (c'est-à-dire le nombre de spires) n'a pas d'incidence dans la mesure où on va comparer de manière relative la variation de tension de chaque phase pour une variation de vitesse du métal.
    On peut donc calculer, à partir des valeurs respectives du potentiel vecteur A, de la densité de courant imposé j, et des relations établies précédemment, le gradient de tension gradV sur ces conducteurs.
    En projetant, sur l'axe vertical z, l'équation de Maxwell suivante :
    Figure 00120001
    qui relie les grandeurs J, gradV et A, et en remplaçant v x rot A par ivkA, on obtient la relation suivante donnant le gradient de la tension sur chaque conducteur : gradV=-i(ω-νk)A-ρj.
    Il suffit alors de sommer les valeurs obtenues pour tous les conducteurs de chaque paquet afin d'obtenir la tension totale des phases respectives. Si besoin est, on peut en déduire l'impédance de chaque phase plutôt que la tension en divisant cette tension par les courants imposés par les sources de courant 31 et 32.
    A titre d'exemple particulier de réalisation, en prenant pour chaque paquet de conducteurs, un rectangle de 160x100 mm2 (à l'exception des paquets 13 et 14 d'extrémité qui correspondent chacun à un rectangle de 80x100 mm2), la densité de courant vaut 6,75.106 ampères efficaces par m2. En supposant une perméabilité relative µr de 1000, la longueur d'onde λ du champ glissant est alors d'environ 1,3 m. Pour une fréquence de fonctionnement de, par exemple, 0,65 Hz, la vitesse de synchronisme vs est alors de 84,5 cm/s.
    En considérant de manière simplifiée que le métal induit est un solide de résistivité constante ρ = 100.10-8 Ωm (ce qui correspond à une conductivité de 1.106(Ωm)-1, soit sensiblement celle de l'acier liquide), on peut calculer, pour deux modules de vitesse du métal liquide de 10 et de 9 cm/s, les valeurs respectives de la tension totale pour les paquets de conducteurs. Par exemple, pour des paquets 16 et 17 de 40 conducteurs de section carrée de 20x20 mm2 en série, ce qui revient à considérer des paquets de 40 spires dans chacun desquelles passe un courant de 2700 A efficace, on obtient des tensions de 38,66 volts et de 36,74 volts en module pour, respectivement, 10 cm/s et 9 cm/s. Par conséquent, la tension de la phase correspondante diminue en module d'environ 2/38, soit environ 5 %. Sur l'impédance de la phrase correspondante, la variation est également de l'ordre de 5 % pour une même variation de vitesse du métal.
    Par conséquent, on peut considérer qu'avec des valeurs industrielles, une variation de l'ordre de 10 % de vitesse du métal se traduit par une variation de l'ordre de 5 à 6 % sur la tension et sur l'impédance. Cette variation est assez sensible pour être utilisée pour commander les circuits de régulation de manière à ramener la vitesse à sa valeur moyenne de consigne, ou à ramener à zéro un écart entre deux valeurs.
    La figure 4 illustre, par une vue de dessus d'une lingotière, les raccordements électriques respectifs selon l'invention des inducteurs diphasés illustrés par la figure 3. Les connexions directes entre les différents paquets de conducteurs, par exemple, dans la partie inférieure du système, ont été symbolisées par des pointillés.
    S'agissant d'une vue de dessus, la buse 3 a été représentée schématiquement à la figure 4 au centre du moule 2. Chaque inducteur 9 a été symbolisé par sa culasse magnétique 12 et ses deux circuits conducteurs 10, 11 constitués, dans la direction verticale, respectivement de deux paquets 16, 17 d'un même nombre de conducteurs et de trois paquets 13, 14, 15, le paquet central 15 ayant un nombre de conducteurs double de celui des paquets d'extrémité 13 et 14.
    Comme cela a été indiqué précédemment, les tronçons 16 et 17 de chaque circuit 10 sont reliés directement, par exemple, par un câble 18 en partie inférieure. De même, les paquets 13 et 14 sont chacun reliés au paquet 15, par exemple, par des câbles, respectivement 19 et 20. En partie supérieure des paquets conducteurs verticaux, ceux-ci sont reliés par leurs extrémités à des moyens d'alimentation. Selon l'invention, les circuits conducteurs 10 et 11 de chaque inducteur 9 sont reliés individuellement à un circuit d'alimentation 21 propre à l'inducteur concerné. Ainsi, les paquets 13 et 14, le paquet 15, le paquet 16 et le paquet 17 sont reliés à un circuit 21 par des câbles respectifs 22, 23, 24 et 25.
    Selon l'invention, tous les circuits 21 ont une structure identique qui sera décrite par la suite en relation avec la figure 5. Chaque circuit est individuellement relié à une centrale de commande 26, par exemple, par des câbles 27. Les câbles 27 ont été illustrés comme comprenant plusieurs conducteurs indépendants pour amener, à chaque circuit d'alimentation 21, les différentes phases d'alimentation alternative nécessaires ainsi que, le cas échéant, des signaux de commande appropriés fournis par la centrale 26. On notera cependant que seuls les signaux de commande pourraient être individualisés et que les conducteurs d'alimentation polyphasés pourraient être communs aux différents circuits 21, ceux-ci se chargeant alors d'adapter les puissances respectives à fournir à chacun des inducteurs.
    Pour des raisons de clarté, les différentes références des inducteurs 9 n'ont été indiquées qu'une seule fois à la figure 4, chaque inducteur ayant une constitution similaire et ne différent des autres que par le sens de circulation du courant comme cela est illustré en figure 3.
    La figure 5 représente, de façon très schématique, la constitution d'un circuit d'alimentation 21 d'un inducteur selon la présente invention.
    Dans l'exemple de la figure 5, on suppose que chaque phase d'inducteur est alimentée par un signal alternatif basse fréquence dont la valeur efficace du courant est fixée à une valeur prédéterminée en fonction des caractéristiques nominales de freinage souhaité pour la lingotière. Ainsi, le circuit 21 de la figure 5 comprend deux sources de courant 31 et 32 alimentant, par exemple, les câbles 23 et 25 respectivement associés aux paquets de conducteurs 15 et 16 comme cela a été illustré en relation avec la figure 4. Les sources de courant 31 et 32 sont, selon l'invention, commandables, respectivement, par des signaux 33 et 34 délivrés par des circuits de régulation, respectivement 35 et 36. Chaque circuit 35, 36 mesure la tension entre, respectivement, les conducteurs 22 et 23 et les conducteurs 24 et 25. Ces mesures de tension sont destinées à évaluer la vitesse du métal liquide en regard de l'inducteur correspondant.
    Dans le mode de réalisation illustré par la figure 5, chaque régulateur 35, 36 reçoit une consigne 37, 38 de la centrale de commande 26 (figure 4) et se charge d'asservir le courant délivré par les sources 31 et 32 pour permettre une vitesse régulière et équilibrée dans la lingotière. Toutefois, on pourra également prévoir que la régulation soit effectuée directement par la centrale 26, ou qu'une mesure de la tension soit utilisée pour calculer la vitesse afin que celle-ci soit exploitée par la centrale 26.
    Bien entendu, on pourra également prévoir que les inducteurs soient alimentés par une tension de valeur prédéterminée commandable et utiliser une mesure du courant dont les variations seront alors fonction de la vitesse, permettant ainsi de réagir sur la source de tension d'alimentation.
    La mise en oeuvre pratique du procédé de l'invention, par la réalisation des circuits électroniques ou la programmation des outils informatiques nécessaires au calcul, est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. On notera que la complexité de ce circuit électronique ou des calculs de programmation dépendra de la précision souhaitée pour l'asservissement comme pour tout asservissement classique.
    Un avantage de la présente invention est qu'elle permet une mesure de la vitesse du métal liquide dans la lingotière sans contact physique avec le métal liquide.
    Un autre avantage de la présente invention est qu'elle se prête particulièrement bien à un asservissement des systèmes de coulée continue dans la mesure où il est très facile de réagir sur le courant ou la tension dans les inducteurs.
    Un autre avantage de la présente invention est qu'elle ne nécessite aucune modification des installations classiques de coulées continues à frein électromagnétique à champ glissant, à l'exception des circuits de commande des différents inducteurs.
    Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaítront à l'homme de l'art. En particulier, l'adaptation du procédé en fonction du nombre de phases des systèmes de frein électromagnétique à champ glissant est à la portée de l'homme du métier en fonction de l'application et des indications fonctionnelles données ci-dessus. De plus, les valeurs numériques indiquées dans la description qui précède ne l'ont été que pour montrer la faisabilité industrielle de l'invention et n'ont qu'une valeur d'illustration. En outre, on notera que la présente invention peut être mise en oeuvre dans tout système de coulée continue quelle que soit la forme de la lingotière, pourvu que celle-ci ait recours à un système de frein électromagnétique actif à champ glissant.

    Claims (7)

    1. Procédé de mesure de la vitesse d'écoulement d'un métal liquide (1) en fusion dans une lingotière (1) équipée d'un frein électromagnétique à champ glissant, caractérisé en ce qu'il consiste : à alimenter le frein électromagnétique en courant, respectivement en tension, par au moins une source d'alimentation constante ; à mesurer la tension, respectivement le courant, de la source d'alimentation (31, 32) ; et à extraire la vitesse d'écoulement des variations de cette information.
    2. Procédé selon la revendication 1, appliqué à un frein électromagnétique dont au moins un inducteur (9) comprend deux paquets (16, 17) de plusieurs conducteurs dans une direction verticale (z), caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer, pour chaque conducteur, la relation suivante : gradV = -i(ω - vk)A - ρj, où ω représente la pulsation d'excitation alternative du champ glissant, où v représente la vitesse du métal, où k représente le nombre d'ondes du champ magnétique glissant inducteur, où A représente le potentiel vecteur, où ρ représente la résistivité du métal, où j représente la densité de courant d'excitation du conducteur, où V représente la tension aux bornes de l'inducteur, et où i désigne la partie imaginaire d'un nombre complexe.
    3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la mesure de vitesse est utilisée pour asservir l'excitation des inducteurs (9) sur une valeur prédéterminée.
    4. Procédé de régulation d'une vitesse d'écoulement d'un métal en fusion dans une partie d'une lingotière (1) de coulée continue équipée d'un frein électromagnétique à champ glissant comportant plusieurs inducteurs (9), caractérisé en ce qu'il consiste : à alimenter le frein électromagnétique en courant, respectivement en tension, par au moins une source d'alimentation constante ; à asservir la tension, respectivement le courant de ladite source d'alimentation (31, 32) sur une mesure de la tension respectivement du courant dans chaque inducteur.
    5. Installation de coulée continue du type utilisant un frein électromagnétique à champ glissant pour organiser l'écoulement d'un métal liquide (1) délivré par deux ouïes (4) d'une buse (3), caractérisée en ce que chaque inducteur (9) du frein électromagnétique est alimenté par un circuit (21) individuel ; et en ce que l'installation comporte des moyens (26, 35, 36) pour réguler le courant, respectivement la tension d'alimentation de chaque inducteur, à partir d'une mesure des variations du courant, respectivement de la tension, d'alimentation des inducteurs, afin de maintenir les vitesses d'écoulement du métal liquide équilibrées entre les deux ouïes.
    6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque circuit d'alimentation (21) de chaque inducteur (9) comprend ses propres moyens de régulation (35, 36) de la puissance d'excitation électromagnétique de cet inducteur.
    7. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend une centrale (26) de commande des circuits d'alimentation (21) des différents inducteurs (9) pour réguler la vitesse d'écoulement du métal liquide.
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