WO2020254688A1 - Lingotière de coulée continue de métaux, système de mesure de la température et système et procédé de détection de percée dans une installation de coulée continue de métaux - Google Patents

Lingotière de coulée continue de métaux, système de mesure de la température et système et procédé de détection de percée dans une installation de coulée continue de métaux Download PDF

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WO2020254688A1
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WO
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groove
mold
optical fiber
ingot mold
plates
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/067347
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English (en)
Inventor
Gianni Zuliani
Etienne Castiaux
Joseph Meseha
Original Assignee
Ebds Engineering
Csn Carl Schreiber Gmbh
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Publication date
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Definitions

  • a plant for the continuous casting of metals for example a plant for the continuous casting of steel, generally comprises an ingot mold into which a liquid metal is poured with a view to its solidification in a suitable form. It may for example be a bottomless ingot mold, in which case the metal cools to form a slab.
  • the walls of the ingot mold are contiguous or backed up by cooling devices, for example of the liquid type.
  • the ingot mold and the cooling devices are sized according to the flow speed of the metal so that the slab, when it leaves the mold, has a solidified external surface of sufficient thickness to trap the still liquid metal. located at the heart of the slab.
  • a method is known in the state of the art for detecting whether the metal adheres to the walls of the mold, a sign of an imminent breakthrough. It is based on the measurement of temperature of the walls of the mold at various points. Indeed, it has been noticed that the walls have a particular temperature profile when the metal adheres to them.
  • a known means of measuring this temperature consists in installing thermocouples regularly distributed on the walls of the mold so as to be able to detect any temperature anomaly as soon as possible.
  • thermocouples do not always make it possible to perform an accurate and reliable measurement of the temperature of the walls, so that they can generate an unsatisfactory number of false alarms, that is to say alarms indicating a breakthrough. imminent when it is not.
  • Another problem is linked to the configuration of the mold which is usually constituted by an assembly of metal plates backed by cooling devices configured to allow cooling of the metal plates by the circulation of a cooling fluid. To reach the areas of the mold where the temperature must be measured, it is necessary to pass through this cooling device and therefore through the circulating water. This leads to further sealing and wiring problems.
  • An object of the invention is to improve breakthrough detection by overcoming the drawbacks set out above.
  • an ingot mold for the continuous casting of metals of the type constituted by an assembly of metal plates backed by cooling devices configured to allow cooling of the metal plates by the circulation of a cooling fluid. , comprising:
  • - at least one optical fiber comprising a plurality of Bragg filters, extending in a wall of at least one of said plates, - at least one groove formed in a wall of at least one of said plates, in a direction not parallel to the casting axis of the mold in at least a portion of the length, the optical fiber extending into the groove, and
  • a tab of shape substantially complementary to the groove closing the groove over its entire length, the groove and the tongue having a shape adapted to the passage of the optical fiber.
  • the terminology of the dimensions of the plate is established as follows: the length and the width are the dimensions of the plate in a section perpendicular to the casting axis of the mold and the depth is the dimension of the plate in the axis of the mold.
  • thermocouples of the prior art are replaced by an optical fiber comprising Bragg filters. These allow, by means of the emission of a light beam in the fiber and the detection of the reflected and / or transmitted beam, the measurement of the temperature in the wall at each of the filters.
  • the groove, optical fiber and the tongue are much less bulky than thermocouples and that these elements are much simpler to put in place.
  • temperature measurement using Bragg filters is more precise than that obtained with thermocouples, so that the number of false alarms is reduced.
  • the tongue is made up of a plurality of parts.
  • the tongue comprises an insert formed integrally before closing the groove.
  • the tongue is thus fully formed before it is installed in the mold.
  • the tongue is not formed in situ when closing the throat. This facilitates this installation as it is possible to install the tongue in the mold simply by dropping it into the groove or sliding it along the groove from one end of the groove.
  • the groove has a substantially uniform depth.
  • the heat transfers between the plates and the optical fiber are thus just as uniform.
  • the ingot mold is made of copper or of a copper alloy, the tongue being made of the same material.
  • the tongue is welded to the mold so as to close the groove, by electron beam welding, but other welding techniques are required. Also possible, such as for example laser welding, X-ray or ion beam welding and all types of arc welding, including electric arc welding with coated electrodes, arc welding with non-electrodes fuses, arc welding with wire electrode fuses, submerged arc welding, electrogas welding, diffusion welding, or brazing or soldering.
  • the groove is located on at least a central part of at least one of the plates.
  • the groove extends over the entire length of at least one of the plates.
  • the optical fiber is provided with a coating or a tube.
  • the coating or the tube make it possible to modulate the diameter of the optical fiber.
  • the optical fiber has a diameter greater than 1.6 mm.
  • the mold comprises a plurality of optical fibers contained in a plurality of grooves substantially parallel to each other.
  • the number of wall temperature measurement points is thus further increased, which contributes to making breakthrough detection even more reliable.
  • the mold when the mold is of the type for casting a thin slab and comprises a funnel-shaped portion in the upper part, the groove being at least in the entire funnel-shaped part.
  • the solution proposed in Belgian patent application 2018/5193 consisting in installing the optical fiber in a channel drilled substantially parallel to the wall is very difficult to practice in a non-planar portion of the wall.
  • the wall will include a groove in the central funnel-shaped part and a channel pierced in the flat part, the channel opening into the groove.
  • a system for measuring the temperature in a continuous metal casting system comprising:
  • a transceiver arranged to send light into the optical fiber and receive reflected and / or transmitted light received by the transceiver
  • a processor arranged to transform data on the reflected and / or transmitted light received by the transceiver into information on the temperature at different points of the mold
  • a terminal comprising a user interface, connected to the processor.
  • a breakthrough detection system in a continuous metal casting system comprising a temperature measurement system as defined in the above in which the processor is arranged to transform data on light reflected and / or transmitted received by the transceiver into information on the detection of a breakthrough.
  • a method for detecting a breakthrough in a continuous metal casting installation characterized in that the temperature of an ingot mold wall as defined in the above is measured.
  • FIG. 1 is an overview of a continuous metal casting installation comprising an ingot mold according to the invention
  • FIGS. 2a and 2b are diagrams illustrating the operation of the installation 5 of Figure 1,
  • Figure 3 is a sectional view of the mold of the installation of Figure 1,
  • Figure 4 is a perspective view of the mold of Figure 3
  • FIG. 5 is a perspective view of a plate of the mold of Figure 3
  • FIGS. 5a, 5b, 5c and 5d are diagrams illustrating different shapes for a groove and a tongue of the mold
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view of an optical fiber contained in the plate of Figure 5
  • FIG. 7 is a diagram explaining the operation of the optical fiber of Figure 6, and
  • FIGS. 8a, 8b, 8c and 8d are sectional views of the mold of Figure 3 illustrating the genesis of a breakthrough.
  • FIG. 1 shows an installation for the continuous casting of metals 2. It has a conventional configuration, so that most of its constituent elements will be presented only briefly.
  • the installation 2 comprises pockets 4 containing liquid metal that it is desired to cool.
  • the pockets 4 are here two in number and are carried by a motorized arm 6.
  • This motorized arm 6 is in particular able to move the pockets 4 which are fed full into the casting area by a transport system (e.g. an overhead crane, not shown) from a filling area where molten metal can be poured into it, e.g. a furnace or converter (not shown) before bringing them to the position illustrated in Figure 1.
  • a transport system e.g. an overhead crane, not shown
  • the motorized arm 6 After emptying the bag 4, the motorized arm 6 also makes it possible to position the empty bag in a position where the transport system can take it up and bring it to the preparation area where it will be reconditioned before returning to the filling area.
  • Installation 2 includes a distributor or distributor basin 8 located below the pockets 4. The latter have an openable bottom allowing the liquid metal to flow into the distributor 8.
  • the distributor 8 includes a flow orifice which can be closed by a stopper rod 10 which controls the flow of liquid metal.
  • the outlet of the distributor is extended by a pouring tube 1 1 submerged inlet (SEN) to protect the liquid metal poured into the mold 12.
  • SEN submerged inlet
  • the submerged inlet pouring tube 1 1 opens into an upper opening of a mold 12.
  • This is a mold without bottom having a casting axis which is vertical.
  • the mold 12 will be described in more detail below.
  • the installation 2 comprises cooling devices 14 positioned on an external surface of the mold 12. These are liquid-type cooling devices. For this purpose, they include conduits in which a refrigerant fluid, for example water, flows.
  • the refrigerant fluid absorbs the heat from the liquid metal in the mold 12 in order to cool and solidify it.
  • the metal solidifies in the form of a slab having a solidified outer surface 18 enclosing a liquid core 20.
  • the installation 2 comprises a roller guide 16 located downstream of the mold 12.
  • the guide 16 is used to guide the slab, an outer surface 18 of which is solidified, out of the mold 12.
  • the slab gradually solidifies as it moves in the guide 16. In other words, the further away from the mold 12, the more the solidified outer surface 18 of the slab increases in volume and the more the core. liquid of the slab decreases in volume.
  • the mold 12 has been shown in more detail in FIG. 3. It has here four plates 22 (the fourth not being visible due to the position of the cutting plane).
  • the plates 22 are made of copper or a copper alloy, which are materials exhibiting high thermal conductivity and therefore facilitate heat exchange between the cooling devices 14 and the mold 12.
  • the plates 22 are arranged so that the mold 12 has an overall cross section rectangular or square. However, provision could be made to arrange the plates so that the mold has a completely different shape of cross section.
  • the mold 12 is shown from a different angle in Figure 4. At least the upper part of the mold 12 has a funnel shape 23 partially receiving the pouring tube 1 1 whose lower end is flattened. This shape is particularly suitable when the mold is intended for casting a thin slab.
  • FIG. 5 shows one of the plates 22 of the mold 12. It has a groove 24 extending in a direction not parallel to the casting axis. It extends here in a substantially horizontal direction, over the entire length of the plate. It is however possible that the groove 24 only extends over a part of the length of the plate 22, for example the central part in the case of an ingot mold for casting thin slab.
  • the groove 24 has a substantially uniform depth over its entire length.
  • the groove 24 is closed over its entire length by a tongue 26 of a shape substantially complementary to the groove.
  • the tongue 26 is preferably made of the same material as the plates 22, that is to say of copper or a copper alloy.
  • the tongue 26 comprises an insert formed integrally before closing the groove 24.
  • the tongue 26 is therefore formed entirely before its installation in the mold 12. In other words, the tongue 26 is not formed in situ at the time. to close the throat 24.
  • the groove 24 and the tongue 26 have a shape adapted to the passage of an optical fiber, the function of which will be described below.
  • the groove 24 or the tongue 26 (or both) has (have) a groove 27 intended to house the optical fiber.
  • the tab 26 is welded so as to close the groove 24 over its entire length, for example by electron beam welding.
  • the tongue 26 is made up of a plurality of parts welded together before the groove 24 is closed by the tongue 26.
  • the length of the tongue 26 can thus be modulated, in particular as a function of the length of the groove 24, by choosing the number of parts of which it is constituted.
  • the groove 24 and the tongue 26 have a curved profile, and it is the tongue 26 which carries the groove 27.
  • the groove 24 and the tongue 26 have a curved profile, and it is the groove 24 which carries the groove 27.
  • the groove 24 and the tongue 26 have a straight profile, and it is the groove 24 which carries the groove 27.
  • the groove 24 and the tongue 26 have a frustoconical cross section, and it is the groove 24 which carries the groove 27.
  • the section of the groove 24 is such that the groove widens towards its depth. In this way, the shape of the groove 24 makes it possible to retain the tongue 26 in position once placed in the groove 24, for example by sliding it along the groove 24 from one of its ends. It is thus not necessary to weld the tab 26 to the mold 12, which presents an economic advantage.
  • the plate In order to allow easier insertion of the tongue 26 in the groove 24, it is possible to put the plate very slightly in flexion around an axis parallel to the groove 24 located on the other side of the plate 22, by example at the level of the throat.
  • the groove 24 is open and the tongue 26 can be slipped there without difficulty.
  • this bending is carried out while remaining within the elastic deformation limit of the copper plate.
  • an optical fiber 28 is housed in the groove 24.
  • the optical fiber 28 comprises an optical cladding 30 as well as a core 32 surrounded by the optical cladding 30.
  • the optical fiber 28 comprises in its core 32 several Bragg filters 34.
  • Optical fiber 28 comprises at least ten Bragg filters per meter, preferably at least twenty Bragg filters per meter, preferably at least thirty Bragg filters per meter, and even more preferably in minus forty Bragg filters per meter.
  • the optical fiber 28 can be housed bare in the groove 24 as well as provided with a protective coating or be inserted into a tube before being installed.
  • This coating or tube may have the function of increasing the radius of the optical fiber 28 in order to fill all or almost the entire diameter of the groove 24. It is preferable that the optical fiber has a diameter greater than 1.6 mm, in taking into account the possible presence of a coating or of a tube as mentioned above.
  • Bragg filters 34 are filters which make it possible to reflect light over a range of wavelength centered on a predetermined value, called the reflected wavelength, adjustable by the constructor of the filter. This predetermined value is also a function in particular of the temperature at which the filter is located, so that we can write for each filter:
  • a reflected is the wavelength effectively reflected by the filter
  • f is a known function
  • T is the temperature of the filter
  • a 0 is the wavelength reflected by the filter at a predetermined temperature, for example at room temperature.
  • optical fiber 28 as a temperature sensor.
  • filters of Bragg 34 having distinct and selected reflected wavelength values 10 , for example shifted one by one by 5 nanometers.
  • a light beam having a polychromatic spectrum 35a for example white light, is then sent into the optical fiber 28 and then the wavelength peaks represented in the spectrum of the reflected beam 35b are determined.
  • the installation of the optical fiber 28 in one of the plates 22 of the mold 12 makes it possible to measure the temperature of this plate in predetermined positions to follow its evolution over time.
  • two optical fibers 28 per plate 22 so as to be able to measure the temperature of the mold 12 at two different altitudes.
  • the breakthrough detection is done as follows.
  • the upper optical fiber 28a detects an abnormal temperature rise which corresponds to the adhesion of the metal to the mold 12 in the zone 36. This is a first sign. that a breakthrough is imminent.
  • the lower optical fiber 28b detects the abnormal temperature rise previously detected by the upper optical fiber 28a. This is a second sign that a breakthrough is imminent, providing confirmation that the breakthrough does not appear preventable.
  • the latter comprises: - a transceiver designed to send light into the optical fiber and receive reflected light and / or light transmitted by the optical fiber,
  • a processor arranged to transform data on the reflected and / or transmitted light received by the transceiver into information on the temperature at different points of the mold
  • a terminal comprising a user interface, connected to the processor.
  • the processor is further arranged to transform data on reflected and / or transmitted light received by the transceiver into information on the detection of a breakthrough.
  • the mold 12 equipped with the optical fibers 28, the transceiver, the processor and the terminal form a breakthrough detection system. If a breakthrough is detected positively, users can take actions to reduce the damage caused by the breakthrough or even prevent it.
  • 35a polychromatic spectrum
  • 35b spectrum of the reflected beam

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)
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Abstract

Cette lingotière (12) de coulée continue de métaux, du type constituée par un assemblage de plaques (22) métalliques adossées à des dispositifs de refroidissement configurés pour permettre le refroidissement des plaques métalliques par la circulation d'un fluide de refroidissement, comprend : - au moins une fibre optique (28), comportant une pluralité de filtres de Bragg, s'étendant dans une paroi d'au moins une desdites plaques (22), - au moins une gorge (24) formée dans une paroi d'au moins une desdites plaques (22), dans une direction non parallèle à l'axe de coulée de la lingotière dans au moins une portion de la longueur, la fibre optique (28) s'étendant dans la gorge (24), et - une languette (26) de forme substantiellement complémentaire à la gorge (24) refermant la gorge sur toute sa longueur, la gorge (24) et la languette (26) possédant une forme adaptée au passage de la fibre optique (28).

Description

Lingotière de coulée continue de métaux, système de mesure de la température et système et procédé de détection de percée dans une installation de coulée continue de métaux L’invention concerne une installation de coulée continue de métaux. Plus particulièrement, l’invention concerne une lingotière de coulée continue de métaux. Selon d'autres de ses aspects, l'invention concerne un système de mesure de la température dans une installation de coulée continue de métaux ainsi qu’un système et un procédé de détection de percée dans une installation de coulée continue de métaux. Une installation de coulée continue de métaux, par exemple, une installation de coulée continue d'acier, comprend généralement une lingotière dans laquelle on verse un métal liquide en vue de sa solidification sous une forme adéquate. Il peut par exemple s’agir d’une lingotière sans fond, auquel cas le métal refroidit en formant une brame. Pour refroidir le métal liquide, des parois de la lingotière sont accolées ou adossées à des dispositifs de refroidissement, par exemple du type à liquide. La lingotière et les dispositifs de refroidissement sont dimensionnés en fonction de la vitesse d’écoulement du métal de sorte que la brame, lorsqu’elle sort de la lingotière, présente une surface externe solidifiée d’une épaisseur suffisamment importante pour piéger le métal encore liquide se trouvant au cœur de la brame.
Lors de l’écoulement du métal liquide dans la lingotière, il serait souhaitable de pouvoir disposer de mesures de la température en temps réel en différents points des parois de la lingotière. Par exemple, il peut arriver que le métal adhère aux parois de la lingotière, ce qui n’est pas souhaité et peut avoir des conséquences considérables sur la production de l’installation. Cela engendre notamment le phénomène de percée bien connu. L’adhérence du métal à la paroi crée une zone dans la brame dans laquelle la solidification du métal ne se fait pas convenablement, si bien que la brame sort de la lingotière avec une surface externe d’épaisseur insuffisante dans cette zone. Il s’ensuit qu’elle se déchire et laisse le métal encore liquide au cœur de la brame s’écouler en dehors de celle-ci. Au-delà de la perte de rendement, le métal liquide, donc à très haute température, peut endommager l’installation voire même constituer un danger pour des opérateurs de l’installation. Il est donc nécessaire de détecter dès que possible ces percées pour pouvoir prendre des mesures préventives, par exemple ralentir la vitesse d'extraction de la brame, temporairement mettre à l’arrêt l’installation ou toute autre mesure corrective.
On connaît dans l’état de la technique un procédé pour détecter si le métal adhère aux parois de la lingotière, signe d’une percée imminente. Il se base sur la mesure de la température des parois de la lingotière en différents points. En effet, il a été remarqué que les parois présentent un profil de température particulier lorsque le métal y adhère. Un moyen connu de mesurer cette température consiste à installer des thermocouples régulièrement répartis sur les parois de la lingotière de manière à pouvoir détecter dès que possible toute anomalie de température.
Ce procédé de détection est intéressant mais pose certains problèmes. En effet, pour pouvoir mesurer la température des parois en un nombre maximal de positions, il est nécessaire d’installer un grand nombre de thermocouples. Cela non seulement augmente le coût de fabrication de la lingotière mais rend également complexe la connexion électrique des thermocouples. Par ailleurs, les thermocouples ne permettent pas toujours d’effectuer une mesure précise et fiable de la température des parois, si bien qu’ils peuvent générer un nombre non satisfaisant de fausses alarmes, c’est-à-dire des alarmes signalant une percée imminente alors qu’il n’en est rien.
Un autre problème est lié à la configuration de la lingotière qui est habituellement constituée par un assemblage de plaques métalliques adossées à des dispositifs de refroidissement configurés pour permettre le refroidissement des plaques métalliques par la circulation d'un fluide de refroidissement. Pour atteindre les zones de la lingotière où la température doit être mesurée, il convient de passer au travers de ce dispositif de refroidissement et donc, à travers l'eau en circulation. Ceci entraîne d'autres problèmes d'étanchéité et de câblage.
La demande de brevet belge 2018/5193 propose déjà une solution à ce problème qui consiste à garnir au moins une des parois de la lingotière d'un canal dans lequel est inséré une fibre optique comportant une pluralité de filtres de Bragg. Cette solution est remarquable et fournit une réponse appropriée aux problèmes mentionnés ci-avant. Toutefois, les inventeurs ont cherché à développer des alternatives qui pourraient être mises en oeuvre de manière plus rapide et moins coûteuse et pourrait être adaptée à des configurations complexe de lingotière.
Un but de l’invention est d’améliorer la détection de percée en remédiant aux inconvénients énoncés ci-dessus.
A cet effet, on prévoit selon l’invention une lingotière de coulée continue de métaux, du type constituée par un assemblage de plaques métalliques adossées à des dispositifs de refroidissement configurés pour permettre le refroidissement des plaques métalliques par la circulation d'un fluide de refroidissement, comprenant :
- au moins une fibre optique, comportant une pluralité de filtres de Bragg, s’étendant dans une paroi d’au moins une desdites plaques, - au moins une gorge formée dans une paroi d’au moins une desdites plaques, dans une direction non parallèle à l’axe de coulée de la lingotière dans au moins une portion de la longueur, la fibre optique s’étendant dans la gorge, et
- une languette de forme substantiellement complémentaire à la gorge refermant la gorge sur toute sa longueur, la gorge et la languette possédant une forme adaptée au passage de la fibre optique.
Pour éviter toute confusion, on précise que la terminologie des dimensions de la plaque est établie comme suit: la longueur et la largeur sont les dimensions de la plaque dans une section perpendiculaire à l'axe de coulée de la lingotière et la profondeur est la dimension de la plaque dans l'axe de la lingotière.
Ainsi, on remplace les thermocouples de l’art antérieur par une fibre optique comprenant des filtres de Bragg. Ces derniers permettent, au moyen de l’émission d’un faisceau lumineux dans la fibre et la détection du faisceau réfléchi et/ou transmis, la mesure de la température dans la paroi au niveau de chacun des filtres. On comprend que la gorge, fibre optique et la languette sont bien moins encombrants que les thermocouples et que ces éléments sont bien plus simples à mettre en place. De plus, la mesure de température grâce aux filtres de Bragg est plus précise que celle obtenue avec les thermocouples, si bien que le nombre de fausses alarmes s’en trouve diminué.
Avantageusement, la languette est constituée d’une pluralité de pièces.
On peut ainsi adapter la longueur de la languette en choisissant le nombre de pièces dont elle est constituée. Cela permet de s’adapter aux dimensions de la lingotière.
Avantageusement, la languette comprend une pièce rapportée formée intégralement avant de refermer la gorge.
La languette est ainsi formée intégralement avant son installation dans la lingotière. En d’autres termes, la languette n’est pas formée in-situ au moment de fermer la gorge. Cela facilite cette installation car il est possible d’installer la languette dans la lingotière simplement en la déposant dans la gorge ou en la faisant glisser le long de la gorge à partir d’une des extrémités de la gorge. Avantageusement, la gorge présente une profondeur substantiellement uniforme.
Les transferts thermiques entre les plaques et la fibre optique sont ainsi tout aussi uniformes.
Avantageusement, la lingotière est réalisée en cuivre ou en alliage de cuivre, la languette étant réalisée dans le même matériau.
Ces matériaux présentent une haute conductivité thermique et contribuent ainsi à uniformiser les transferts thermiques.
De préférence, la languette est soudée à la lingotière de manière à fermer la gorge, par soudage par faisceau d’électrons mais d'autres techniques de soudage sont également possible, comme par exemple, soudage laser, soudage par rayon-X ou faisceau d'ions et tous les types de soudage à l'arc, incluant soudage à l'arc électrique avec électrodes enrobées, soudage à l'arc avec électrodes non fusibles, soudage à l'arc avec fil électrodes fusibles, soudage à l'arc sous flux, soudage électrogaz, soudage par diffusion, ou encore le brasage ou brasage tendre .
On permet ainsi une fermeture étanche de la gorge.
Avantageusement, la gorge est située sur au moins une partie centrale d’au moins une des plaques.
On peut ainsi mesurer la température dans une zone centrale de la paroi et ainsi obtenir une mesure particulièrement représentative de la température de la paroi.
Selon un mode de réalisation, la gorge s’étend sur toute la longueur d’au moins une des plaques.
On peut ainsi mesurer la température du métal coulé en un grand nombre de points, ce qui contribue à fiabiliser la détection de percée.
Avantageusement, la fibre optique est munie d’un revêtement ou d’un tube.
On protège ainsi la fibre optique de sollicitations mécaniques pouvant l’endommager. De plus, le revêtement ou le tube permettent de moduler le diamètre de la fibre optique.
Avantageusement, la fibre optique présente un diamètre supérieur à 1 ,6 mm.
Avantageusement, la lingotière comprend une pluralité de fibres optiques contenues dans une pluralité de gorges substantiellement parallèles entre elles.
On augmente ainsi davantage encore le nombre de points de mesure de la température de la paroi, ce qui contribue à fiabiliser davantage encore la détection de percée.
Avantageusement, lorsque la lingotière est du type pour la coulée en brame mince et comprend une portion en entonnoir dans la partie supérieure, la gorge se trouvant au moins dans toute la partie en entonnoir. En effet, la solution proposée dans la demande de brevet belge 2018/5193 consistant à installer la fibre optique dans un canal percé de manière substantiellement parallèle à la paroi est très difficilement praticable dans une portion non-plane de la paroi.
On comprend aisément que ce mode de réalisation s'adapte à tout type de lingotière de forme complexe.
Avantageusement, la paroi comprendra une gorge dans la partie centrale en entonnoir et un canal percé dans la partie plane, le canal débouchant dans la gorge.
On prévoit également selon l’invention un système de mesure de la température dans un système de coulée continue de métaux, comprenant :
- une lingotière telle que définie dans ce qui précède, - un émetteur-récepteur agencé pour envoyer de la lumière dans la fibre optique et recevoir de la lumière réfléchie et/ou transmise reçue par l’émetteur- récepteur,
- un processeur agencé pour transformer des données sur la lumière réfléchie et/ou transmise reçue par l’émetteur-récepteur en une information sur la température en différents points de la lingotière, et
- un terminal comprenant une interface utilisateur, connecté au processeur.
On prévoit aussi selon l’invention un système de détection de percée dans un système de coulée continue de métaux, comprenant un système de mesure de la température tel que défini dans ce qui précède dans lequel le processeur est agencé pour transformer des données sur la lumière réfléchie et/ou transmise reçue par l’émetteur-récepteur en une information sur la détection d’une percée.
On prévoit enfin selon l’invention un procédé de détection d’une percée dans une installation de coulée continue de métaux, caractérisé en ce qu’on mesure la température d’une paroi de lingotière telle que définie dans ce qui précède.
Nous allons maintenant présenter un mode de réalisation de l’invention donné à titre d’exemple non limitatif et à l’appui des figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 est une vue d’ensemble d’une installation de coulée continue de métaux comprenant une lingotière selon l’invention,
- les figures 2a et 2b sont des schémas illustrant le fonctionnement de l’installation 5 de la figure 1 ,
- la figure 3 est une vue en coupe de la lingotière de l’installation de la figure 1 ,
- la figure 4 est une vue en perspective de la lingotière de la figure 3,
- la figure 5 est une vue en perspective d’une plaque de la lingotière de la figure 3,
- les figures 5a, 5b, 5c et 5d sont des schémas illustrant différentes formes pour une gorge et une languette de la lingotière,
- la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d’une fibre optique contenue dans la plaque de la figure 5,
- la figure 7 est un schéma expliquant le fonctionnement de la fibre optique de la figure 6, et
- les figures 8a, 8b, 8c et 8d sont des vues en coupe de la lingotière de la figure 3 illustrant la genèse d’une percée.
On a représenté en figure 1 une installation de coulée continue de métaux 2. Elle a une configuration classique, si bien que la plupart de ses éléments constitutifs ne seront présentés que brièvement.
L’installation 2 comprend des poches 4 contenant du métal liquide qu’on souhaite faire refroidir. Les poches 4 sont ici au nombre de deux et sont portées par un bras motorisé 6. Ce bras motorisé 6 est notamment apte à déplacer les poches 4 qui sont amenées pleine dans la zone de coulée par un système de transport (par exemple un pont roulant, non représenté) en provenance d’une zone de remplissage où le métal fondu peut y être versé, par exemple un four ou un convertisseur (non représenté) avant de les amener à la position illustrée en figure 1. Après vidange de la poche 4, le bras motorisé 6 permet également de positionner la poche vide dans une position où le système de transport peut la reprendre et l'amener en zone de préparation où elle sera reconditionnée avant de retourner en zone de remplissage.
L’installation 2 comprend un distributeur ou bassin répartiteur 8 situé en dessous des poches 4. Ces dernières présentent un fond ouvrable permettant de faire couler le métal liquide dans le distributeur 8.
Le distributeur 8 comprend un orifice d’écoulement qui peut être obturé par une quenouille 10 qui permet de contrôler l’écoulement de métal liquide. L'orifice d'écoulement du distributeur se prolonge par un tube de coulée 1 1 d'entrée immergée (SEN) permettant de protéger le métal liquide déversé dans la lingotière 12.
Comme cela est plus visible sur la figure 2a et à plus grande échelle sur la figure 2b, le tube de coulée 1 1 d'entrée immergée débouche dans une ouverture supérieure d’une lingotière 12. Il s’agit ici d’une lingotière sans fond présentant un axe de coulée qui est vertical. La lingotière 12 sera décrite plus en détails plus loin.
L’installation 2 comprend des dispositifs de refroidissement 14 positionnés sur une surface externe de la lingotière 12. Il s’agit de dispositifs de refroidissement du type à liquide. Ils comprennent à cet effet des conduits dans lequel s’écoule un fluide réfrigérant, par exemple de l’eau. Le fluide réfrigérant absorbe la chaleur du métal liquide se trouvant dans la lingotière 12 afin de le faire refroidir et solidifier. Ici, le métal se solidifie sous la forme d’une brame présentant une surface externe solidifiée 18 enclavant un noyau liquide 20.
L’installation 2 comprend un guide à rouleaux 16 se trouvant en aval de la lingotière 12. Le guide 16 permet de guider la brame, dont une surface externe 18 est solidifiée, hors de la lingotière 12. Comme cela est visible sur la figure 2a, la brame se solidifie progressivement à mesure qu’elle se déplace dans le guide 16. En d’autres termes, plus on s’éloigne de la lingotière 12, plus la surface externe solidifiée 18 de la brame augmente en volume et plus le noyau liquide 20 de la brame diminue en volume.
On a représenté la lingotière 12 plus en détails sur la figure 3. Elle présente ici quatre plaques 22 (la quatrième n’étant pas visible du fait de la position du plan de coupe). Les plaques 22 sont réalisées en cuivre ou en alliage de cuivre, qui sont des matériaux présentant une grande conductivité thermique et facilitent donc les échanges de chaleur entre les dispositifs de refroidissement 14 et la lingotière 12. Les plaques 22 sont agencées de sorte que la lingotière 12 présente une section droite globalement rectangulaire ou carrée. On pourrait toutefois prévoir d’agencer les plaques de sorte que la lingotière présente une toute autre forme de section droite.
On a représenté la lingotière 12 d’un différent angle sur la figure 4. Au moins la partie supérieure de la lingotière 12 présente une forme en entonnoir 23 recevant partiellement le tube de coulée 1 1 dont l'extrémité inférieure est aplatie. Cette forme est particulièrement adaptée lorsque la lingotière est destinée à la coulée en brame mince.
On a représenté en figure 5 une des plaques 22 de la lingotière 12. Elle présente une gorge 24 s’étendant dans une direction non parallèle à l’axe de coulée. Elle s’étend ici dans une direction sensiblement horizontale, sur toute la longueur de la plaque. Il est toutefois possible que la gorge 24 ne s’étende que sur une partie de la longueur de la plaque 22 par exemple la partie centrale dans le cas d'une lingotière pour la coulée en brame mince. La gorge 24 présente une profondeur substantiellement uniforme sur toute sa longueur.
On a représenté en figure 5a à 5d différentes formes que peut prendre la gorge 24. La gorge 24 est refermée sur toute sa longueur par une languette 26 de forme substantiellement complémentaire à la gorge. La languette 26 est réalisée de préférence dans le même matériau que les plaques 22, c’est-à-dire en cuivre ou en alliage de cuivre. La languette 26 comprend une pièce rapportée formée intégralement avant de refermer la gorge 24. La languette 26 est donc formée intégralement avant son installation dans la lingotière 12. En d’autres termes, la languette 26 n’est pas formée in-situ au moment de fermer la gorge 24.
La gorge 24 et la languette 26 possèdent une forme adaptée au passage d’une fibre optique dont la fonction sera décrite plus bas. En l’espèce, comme cela est visible sur les figures 5a à 5d, la gorge 24 ou la languette 26 (ou les deux) présente(nt) une rainure 27 destinée à loger la fibre optique. Une fois la fibre optique logée dans la gorge, on soude la languette 26 de manière à fermer la gorge 24 sur toute sa longueur, par exemple par soudage par faisceau d’électrons.
Dans une variante de réalisation, la languette 26 est constituée d’une pluralité de pièces soudées entre elles avant fermeture de la gorge 24 par la languette 26. On peut ainsi moduler la longueur de la languette 26, notamment en fonction de la longueur de la gorge 24, en choisissant le nombre de pièces dont on la constitue.
Dans le mode de réalisation de la figure 5a, la gorge 24 et la languette 26 ont un profil courbe, et c’est la languette 26 qui porte la rainure 27.
Dans le mode de réalisation de la figure 5b, la gorge 24 et la languette 26 ont un profil courbe, et c’est la gorge 24 qui porte la rainure 27.
Dans le mode de réalisation de la figure 5c, la gorge 24 et la languette 26 ont un profil droit, et c’est la gorge 24 qui porte la rainure 27. Dans le mode de réalisation de la figure 5d, la gorge 24 et la languette 26 ont une section droite tronconique, et c’est la gorge 24 qui porte la rainure 27. En particulier, la section de la gorge 24 est telle que la gorge s’élargit vers sa profondeur. De la sorte, la forme de la gorge 24 permet de retenir la languette 26 en position une fois placée dans la gorge 24, par exemple en la faisant glisser le long de la gorge 24 à partir d’une de ses extrémités. Il n’est ainsi pas nécessaire de souder la languette 26 à la lingotière 12, ce qui présente un avantage économique. De façon à permettre une insertion plus aisée de la languette 26 dans la gorge 24, il est possible de mettre très légèrement la plaque en flexion autour d'un axe parallèle à la gorge 24 situé de l'autre côté de la plaque 22, par exemple au niveau de la gorge. Ainsi, la gorge 24 est ouverte et la languette 26 peut y être glissée sans difficultés. De préférence, cette flexion est opérée en restant dans la limite de déformation élastique de la plaque de cuivre.
En référence aux figures 6 et 7, une fibre optique 28 est logée dans la gorge 24. La fibre optique 28 comprend une gaine optique 30 ainsi qu’une âme 32 entourée par la gaine optique 30. La fibre optique 28 comprend dans son âme 32 plusieurs filtres de Bragg 34. La fibre optique 28 comporte au moins dix filtres de Bragg par mètre, de préférence au moins vingt filtres de Bragg par mètre, de manière préférée au moins trente filtres de Bragg par mètre, et de manière encore plus préférée au moins quarante filtres de Bragg par mètre.
La fibre optique 28 peut être aussi bien logée nue dans la gorge 24 que munie d’un revêtement de protection ou être insérée dans un tube avant d’être installée. Ce revêtement ou tube peut avoir pour fonction d’augmenter le rayon de la fibre optique 28 afin de combler tout ou presque tout le diamètre de la gorge 24. Il est préférable que la fibre optique présente un diamètre supérieur à 1 ,6 mm, en tenant compte de l’éventuelle présence d’un revêtement ou d’un tube tel que mentionné ci-dessus.
Le fonctionnement de la fibre optique 28 est illustré en figure 7. Les filtres de Bragg 34 sont des filtres qui permettent de réfléchir la lumière sur une plage de longueur d’onde centrée sur une valeur prédéterminée, dite longueur d’onde réfléchie, réglable par le constructeur du filtre. Cette valeur prédéterminée est par ailleurs une fonction notamment de la température à laquelle se situe le filtre, de sorte qu’on peut écrire pour chaque filtre :
Aréfléchie = f ( Lq, T )
où Aréfléchie est la longueur d’onde effectivement réfléchie par le filtre, f est une fonction connue, T est la température du filtre et A0 la longueur d’onde réfléchie par le filtre à une température prédéterminée, par exemple à température ambiante.
Ces deux propriétés permettent d’utiliser la fibre optique 28 en tant que capteur de température. Dans un premier temps, on installe dans la fibre optique 28 des filtres de Bragg 34 ayant des valeurs de longueur d’onde réfléchie l0 distinctes et choisies, par exemple décalée une à une de 5 nanomètres. On envoie ensuite un faisceau lumineux présentant un spectre polychromatique 35a, par exemple de la lumière blanche, dans la fibre optique 28 puis on détermine les pics de longueurs d’onde représentées dans le spectre du faisceau réfléchi 35b. A chaque pic, on compare la valeur mesurée A^iéchie et la valeur théorique de la longueur d’onde réfléchie à température ambiante l0, et on calcule la température T du filtre en question grâce à la fonction f. De manière alternative, il est aussi possible d’effectuer ces étapes sur la base des creux dans le spectre du faisceau transmis 35c si la configuration du canal 24 dans lequel est logée la fibre optique 28 le permet.
Ainsi, l'installation de la fibre optique 28 dans une des plaques 22 de la lingotière 12 permet de mesurer la température de cette plaque en des positions prédéterminées suivre son évolution dans le temps. Afin d’obtenir un nombre suffisant de points de mesure, il est préféré de placer au moins une fibre optique 28 dans deux plaques 22 en vis-à-vis, voire dans chacune des quatre plaques 22 de la lingotière 12.
Par ailleurs, il est aussi préféré de placer deux fibres optiques 28 par plaque 22 de manière à pouvoir mesurer la température de la lingotière 12 à deux altitudes différentes. Par exemple, on peut placer les deux fibres optiques 28 dans chaque plaque de sorte qu’elles soient parallèles et espacées de 15 à 25 centimètres l’une de l’autre.
La détection de percée se fait de la manière suivante.
On a représenté en figures 8a à 8d la propagation d’une zone 36 dans laquelle le métal contenu dans la lingotière 12 adhère à une des plaques 22 de celle-ci. Les graphes situés en zone inférieure droite de chacune de ces figures représentent l’évolution de la température mesurée par un filtre de Bragg 34 d’une fibre optique supérieure 28a (courbe du haut) et par un filtre de Bragg 34 d’une fibre optique inférieure (28b) en fonction du temps.
Comme cela est visible sur les graphes des figures 8a et 8b, la fibre optique supérieure 28a détecte une élévation de température anormale qui correspond à l’adhérence du métal à la lingotière 12 dans la zone 36. Il s’agit d’un premier signe qu’une percée est imminente.
Ensuite, comme cela est visible sur les graphes des figures 8c et 8d, la fibre optique inférieure 28b détecte l’élévation de température anormale précédemment détectée par la fibre optique supérieure 28a. Il s’agit d’un second signe qu’une percée est imminente, ce qui forme une confirmation que la percée ne semble pas évitable.
Afin que les informations relevées par les fibres optiques 28a et 28b soient communiquées aux utilisateurs de l’installation 2, cette dernière comprend : - un émetteur-récepteur agencé pour envoyer de la lumière dans la fibre optique et recevoir de la lumière réfléchie et/ou la lumière transmise par la fibre optique,
- un processeur agencé pour transformer des données sur la lumière réfléchie et/ou transmise reçue par l’émetteur-récepteur en une information sur la température en différents points de la lingotière, et
- un terminal comprenant une interface utilisateur, connecté au processeur.
Le processeur est par ailleurs agencé pour transformer les données sur la lumière réfléchie et/ou transmise reçue par l’émetteur-récepteur en une information sur la détection d’une percée.
Grâce à ces éléments (qui n’ont pas été représentés sur les figures pour des raisons de clarté), il est possible de transformer la mesure de température effectuée par les fibres optiques 28 en une information, compréhensible par les utilisateurs de l’installation 2, sur la détection ou non d’une percée. En d’autres termes, la lingotière 12 équipée des fibres optiques 28, l’émetteur-récepteur, le processeur et le terminal forment un système de détection de percée. En cas de détection positive d’une percée, les utilisateurs peuvent prendre des actions visant à réduire les dégâts engendrés par la percée voire même l’empêcher.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier.
On peut notamment prévoir que la lingotière soit plus conventionnelle avec une forme droite sans entonnoir.
On peut prévoir de doter la lingotière de plusieurs fibres optiques contenues dans une pluralité de gorges substantiellement parallèles entre elles. Nomenclature
2 : installation (de coulée continue de métaux)
4 : poche
6 : bras motorisé
8 : distributeur
10 : quenouille
1 1 : tube de coulée
12 : lingotière
14 : dispositifs de refroidissement
16 : guide
18 : surface externe solidifiée
20 : noyau liquide
22 : plaque 23 : entonnoir
24 : gorge
26 : languette
27 : rainure
28 : fibre optique
30 : gaine optique
32 : âme
34 : filtre de Bragg
35a : spectre polychromatique 35b : spectre du faisceau réfléchi
36 : zone

Claims

Revendications
1 . Lingotière de coulée continue de métaux (12), du type constituée par un assemblage de plaques métalliques (22) adossées à des dispositifs de refroidissement (14) configurés pour permettre le refroidissement des plaques métalliques (22) par la circulation d'un fluide de refroidissement, comprenant :
- au moins une fibre optique (28), comportant une pluralité de filtres de Bragg (34), s’étendant dans une paroi d’au moins une desdites plaques (22),
- au moins une gorge (24) formée dans une paroi d’au moins une desdites plaques (22), dans une direction non parallèle à l’axe de coulée de la lingotière (12) dans au moins une portion de la longueur, la fibre optique (28) s’étendant dans la gorge (24), et
- une languette (26) de forme substantiellement complémentaire à la gorge (24) refermant la gorge sur toute sa longueur, la gorge (24) et la languette (26) possédant une forme adaptée au passage de la fibre optique.
2. Lingotière selon la revendication précédente, dans laquelle la languette (26) est constituée d’une pluralité de pièces.
3. Lingotière selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la languette (26) comprend une pièce rapportée formée intégralement avant de refermer la gorge (24).
4. Lingotière selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la gorge (24) présente une profondeur substantiellement uniforme.
5. Lingotière selon l’une quelconque des revendications précédentes, réalisée en cuivre ou en alliage de cuivre, la languette (26) étant réalisée dans le même matériau.
6. Lingotière selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la languette (26) est soudée, par exemple par soudage par faisceau d’électrons, à la lingotière de manière à fermer la gorge (24).
7. Lingotière selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la gorge (24) est située sur au moins une partie centrale d’au moins une des plaques (22).
8. Lingotière selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la gorge (24) s’étend sur toute la longueur d’au moins une des plaques (22).
9. Lingotière selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la fibre optique (28) est munie d’un revêtement ou d’un tube.
10. Lingotière selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la fibre optique (28) présente un diamètre supérieur à 1 ,6 mm.
1 1 . Lingotière selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité de fibres optiques (28) contenues dans une pluralité de gorges (24) substantiellement parallèles entre elles.
12. Lingotière (12) selon l’une quelconque des revendications précédentes, du type pour la coulée en brame mince, comprenant une portion en entonnoir (23) dans la partie supérieure, la gorge (24) se trouvant au moins dans toute la partie en entonnoir (23).
13. Système de mesure de la température dans un système de coulée continue de métaux, comprenant :
- une lingotière (12) selon l’une quelconque des revendications précédentes,
- un émetteur-récepteur agencé pour envoyer de la lumière dans la fibre optique (28) et recevoir de la lumière réfléchie et/ou transmise reçue par l’émetteur-récepteur en une information sur la température en différents points de la lingotière (12),
- un processeur agencé pour transformer des données sur la lumière réfléchie et/ou transmise reçue par l’émetteur-récepteur en une information sur la température en différents points de la lingotière, et
- un terminal comprenant une interface utilisateur, connecté au processeur.
14. Système de détection de percée dans un système de coulée continue de métaux, comprenant un système de mesure de la température selon la revendication précédente dans lequel le processeur est agencé pour transformer des données sur la lumière réfléchie et/ou transmise reçue par l’émetteur-récepteur en une information sur la détection d’une percée.
15. Procédé de détection d’une percée dans une installation de coulée continue de métaux, caractérisé en ce qu’on mesure la température d’une paroi de lingotière selon l’une quelconque des revendications 1 à 12.
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