EP0076743A1 - Procédé de refroidissement du produit coulé dans une installation de coulée continue - Google Patents

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EP0076743A1
EP0076743A1 EP82401769A EP82401769A EP0076743A1 EP 0076743 A1 EP0076743 A1 EP 0076743A1 EP 82401769 A EP82401769 A EP 82401769A EP 82401769 A EP82401769 A EP 82401769A EP 0076743 A1 EP0076743 A1 EP 0076743A1
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heat
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Alain Chielens
Philippe Benoit
Bernard Roggo
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Fives Cail Babcock SA
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Fives Cail Babcock SA
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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
    • B22D11/22—Controlling or regulating processes or operations for cooling cast stock or mould
    • B22D11/225—Controlling or regulating processes or operations for cooling cast stock or mould for secondary cooling

Definitions

  • European patent application No. 81,400,212.7 relates to a process for controlling the cooling of the product cast in a continuous casting installation according to which the fictitious product is divided into elementary slices, the flow rates of water to be projected are periodically calculated. on the different sections according to their age, the water flows calculated for all the sections located in each section of the secondary cooling zone are integrated to determine the set values for the water rates of the different sections and the , by means of regulators, the water supply flow rates of the different sections equal to the respective set values.
  • the flow rate and the heating of the cooling water of the mold are continuously measured; they can also be determined from data stored in the computer memory and established by tests and predictive calculations.
  • the purpose of the present invention is to provide the process of European patent application N ° 81,400,212.7 with an improvement making it possible to determine with more precision the thermal history of each elementary slice of the product poured during its passage through the ingot mold taking into account the evolution of the heat flow extracted from the top to the bottom of the mold.
  • the process which is the subject of the present invention is characterized in that the quantity of overall heat extracted from the mold is distributed according to a predetermined law, from the top to the bottom of the mold, periodically the amount of heat extracted from each elementary slice of the product cast in the mold as a function of its position therein, from the results obtained, the amount of total heat extracted in the mold is calculated for each slice, and the value obtained is used for correcting the curve of the variations in the quantity of heat extracted as a function of the age of the units in calculating the water flow rates to be projected onto the unit in question, throughout its stay in the secondary cooling zone.
  • the value of the total amount of heat extracted in the mold calculated for each slice according to this process can be used to determine the surface temperature of the product poured at its exit from the mold from forecast calculation results, the value thus obtained being used for correct the curve of the variations in surface temperature as a function of the age of the slices according to the method of European patent application No. 81.400.212.7.
  • the number of zones is for example between 2 and 20.
  • the number and the lengths of these zones and the distribution of the overall heat flow between these different zones are defined taking into account the evolution of thermal efficiency. from top to bottom of the mold and deducted from the results of measurements and tests carried out beforehand.
  • the heat flow extracted by an area of the ingot mold is distributed between the different elementary slices of the cast product contained in this area; this distribution is made, in each zone, in proportion to the lengths of the sections.
  • the machine for the continuous casting of steel shown diagrammatically in FIG. 1 essentially comprises an ingot mold 10, a corset of guide rollers 12, straightening rollers 14 and a cooling device comprising nozzles or spraying or atomization grouped by sections, all the nozzles or booms of the same section being connected in parallel on a supply pipe fitted with a valve 16 whose opening is controlled by a regulator 18 to maintain the supply flow equal at a set flow rate set by a computer 20.
  • the nozzles or ramps are distributed all around the casting bar or, in the case of a bar with rectangular section, only on its large faces. Means are provided for manually adjusting the distribution between the different nozzles or booms of a section, according to their position, of the total flow of water supplying this section.
  • thermometric rod 22 for measuring the temperature of the molten metal in the distributor 24
  • thermometric probes 26 for measuring the temperature of the ingot mold cooling water, at its inlet and outlet
  • flow meter 28 for measuring the flow rate of the ingot mold cooling water
  • generator of surpluses 30 for the measurement of the extraction speed of the bar and the calculation of the age of the elements of the bar
  • pyrometer 32 for the measurement of the surface temperature of the bar in the vicinity of the straightening point, etc.
  • the latter determines at regular intervals the set values of the water supply flow rates of the various sections of the cooling device.
  • This regular time interval is for example between 1 and 50 seconds.
  • This calculation is carried out periodically, for example every 10 s, and the bar is divided into elements the length of which is that of the slice poured during the time interval between two successive calculations.
  • the serial number assigned to each section from its production therefore makes it possible at any time to know its age and its position in the machine.
  • the set values of the supply water flow rates of the different sections of the cooling zone are calculated by integration. Cool and the calculated values are transmitted to the respective controllers 18.
  • the total water flow rate of the secondary cooling zone is calculated and deduces the total air flow to be used, using an equation or a curve establishing a relationship between these two flows.
  • Means are provided for manually adjusting the distribution between the different sections of the total air flow supplying the secondary cooling zone.
  • the computer 20 determines from values of the flow rate and temperatures at the inlet and outlet of the cooling water of the ingot mold, measured continuously by the probes 26 and the flow meter 28, or from a file of values established at the Using forecast simulation calculations, the overall amount of heat extracted in the mold during the time period separating two calculations. Using a distribution curve of the heat flows extracted along the mold, we then determine the amount of heat extracted from each elementary slice in the mold during the period considered and we calculate the amount of heat extracted from a mass unit of each slice.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)

Abstract

Procédé de contrôle du refroidissement du produit coulé dans une installation de coulée continue suivant la demande de brevet européen N° 81.400.212.7. Pour déterminer avec plus de précision l'histoire thermique de chaque tranche du produit coulé lors de son passage dans la lingotière en tenant compte de l'évolution du flux de chaleur extrait du haut au bas de la lingotière, on détermine périodiquement la quantité de chaleur globale extraite de la lingotière (10), on répartit cette quantité de chaleur globale sur toute la hauteur utile de la lingotière suivant une loi prédéterminée, à partir des résultats obtenus on calcule pour chaque tranche, à sa sortie de la lingotière, la quantité de haleur totale extraite en lingotière et on utilise la valeur obtenue pour la correction des courbes de variation de la quantité de chaleur extraite et de la température superficielle en fonction de l'âge des tranches comme décrit à la demande de brevet européen No 81.400.212.7.

Description

  • La demande de brevet européen N° 81.400.212.7 a pour objet un procédé de contrôle du refroidissement du produit coulé dans une installation de coulée continue suivant lequel on divise fictivement le produit coulé en tranches élémentaires, on calcule périodiquement les débits d'eau à projeter sur les différentes tranches en fonction de leur âge, on intègre les débits d'eau calculés pour toutes les tranches se trouvant dans chaque section de la zone de refroidissement secondaire pour déterminer les valeurs de consigne des débits d'eau des différentes sections et on maintient, au moyen de régulateurs, les débits d'alimentation en eau des différentes sections égaux aux valeurs de consigne respectives. Pour calculer les débits d'eau à projeter sur chaque tranche on détermine la quantité de chaleur à extraire de la tranche considérée et sa température superficielle, à partir de courbes C = f(t) et T = g(t) donnant les variations de ces grandeurs en fonction de l'âge des tranches, on calcule le coefficient d'échange thermique et on déduit de la valeur obtenue le débit d'eau spécifique relatif à cette tranche au moyen d'une courbe liant ces deux grandeurs.
  • Ce procédé permet de tenir compte dans le calcul des débits d'eau de la quantité de chaleur extraite en lingotière en décalant parallèlement à l'axe des temps la courbe C = f(t) de façon qu'elle passe par le point dont les coordonnées sont, d'une part, le temps de séjour total de la tranche considérée en lingotière et, d'autre part, la quantité de chaleur totale extraite de cette tranche pendant son séjour dans la lingotière. La correction de la courbe T = g(t), selon le procédé de la demande de brevet européen N° 81.400.212.7, prend aussi en compte la quantité de chaleur extraite en lingotière lorsque la température superficielle du produit coulé à la sortie de la lingotière est calculée à partir de cette grandeur au moyen d'une courbe établie à l'aide de calculs prévisionnels de simulation. Pour déterminer les quantités de chaleur extraites en lingotière des différentes tranches du produit coulé, on mesure en continu le débit et l'échauffement de l'eau de refroidissement de la lingotière ; on peut aussi les déterminer à partir de données stockées dans la mémoire du calculateur et établies par des essais et des calculs prévisionnels.
  • On sait que pour différentes raisons (influence de la poudre de lubrification, retrait du métal solidifié, etc..) la densité de flux de chaleur extraite par la lingotière est plus èlevée dans sa partie supérieure que dans sa partie inférieure et, par conséquent, la mesure de la quantité de chaleur globale extraite par la lingotière ne fournit une information exacte sur la quantité de chaleur extraite d'une tranche quelconque que si tous les paramètres de la coulée et notamment le débit et la température de l'eau de refroidissement de la lingotière et la vitesse d'extraction restent constants pendant tout le séjour de la tranche considérée dans la lingotière. S'il n'en est pas ainsi, ce qui est généralement le cas, on obtient par cette méthode des informations inexactes sur les quantités de chaleur extraites en lingotière des différentes tranches du produit coulé et sur les températures superficielles du produit coulé à la sortie de la lingotière lorsque celles-ci sont calculées à partir de ces quantités de chaleur.
  • Le but de la présente invention est d'apporter au procédé de la demande de brevet européen N° 81.400.212.7 un perfectionnement permettant de déterminer avec plus de précision l'histoire thermique de chaque tranche élémentaire du produit coulé lors de son passage dans la lingotière en tenant compte de l'évolution du flux de chaleur extrait du haut au bas de la lingotière.
  • Le procédé objet de la présente invention est caractérisé en ce qu'on répartit suivant une loi prédéterminée, depuis le haut jusqu'au bas de la lingotière, la quantité de chaleur globale extraite de la lingotière, on calcule périodiquement la quantité de chaleur extraite de chaque tranche élémentaire du produit coulé se trouvant dans la lingotière en fonction de sa position dans celle-ci, à partir des résultats obtenus on calcule pour chaque tranche, à sa sortie de la lingotière, la quantité de chaleur totale extraite en lingotière et on utilise la valeur obtenue pour la correction de la courbe des variations de la quantité de chaleur extraite en fonction de l'âge des tranches dans le calcul des débits d'eau à projeter sur la tranche considérée, pendant tout son séjour dans la zone de refroidissement secondaire. La valeur de la quantité de chaleur totale extraite en lingotière calculée pour chaque tranche selon ce procédé peut être utilisée pour déterminer la température superficiélle du produit coulé à sa sortie de la lingotière à partir de résultats de calculs prévisionnels, la valeur ainsi obtenue étant utilisée pour corriger la courbe des variations de la température superficielle en fonction de l'âge des tranches selon le procédé de la demande de brevet européen N° 81.400.212.7.
  • La loi de répartition de la quantité de chaleur globale extraite de la lingotière est déduite de mesures expérimentales.
  • On peut, en particulier, décomposer la partie utile de la lingotière en plusieurs zones et répartir le flux global de chaleur extrait par la lingotière entre ces différentes zones. Dans ce cas le nombre de zones est compris par exemple entre 2 et 20. Le nombre et les longueurs de ces zones et la répartition du flux de chaleur global entre ces différentes zones sont définies en tenant compte de l'évolution de l'efficacité thermique du haut au bas de la lingotière et déduites des résultats de mesures et d'essais effectués au préalable. A chaque calcul, on répartit le flux de chaleur extrait par une zone de la lingotière entre les différentes tranches élémentaires du produit coulé contenues dans cette zone ; cette répartition est effectuée, dans chaque zone, proportionnellement aux longueurs des tranches.
  • La description qui suit réfère aux dessins l'accompagnant qui illustrent le procédé de l'invention et sur lesquels :
    • La figure 1 est le schéma d'une installation de coulée continue courbe et du système de contrôle de refroidissement de la barre coulée conforme à l'invention ;
    • La figure 2 est une courbe T = g(t) représentant les variations en fonction du temps de la température superficielle de la barre pendant son déplacement dans la machine de coulée ;
    • La figure 3 est une courbe C = f(t) représentant les variations en fonction du temps de la quantité de chaleur extraite d'une masse unitaire du produit coulé pendant son déplacement dans la machine de coulée depuis la surface libre du métal dans la lingotière ; et
    • La figure 4 est une courbe de répartition du flux de chaleur extrait en lingotière.
  • La machine pour la coulée continue de l'acier représentée schématiquement sur la figure 1, comporte essentiellement une lingotière 10, un corset de rouleaux de guidage 12, des rouleaux redresseur 14 et un dispositif de refroidissement comportant des buses ou des rampes de pulvérisation ou d'atomisation groupées par sections, toutes les buses ou rampes d'une même section étant branchées en parallèle sur une tuyauterie d'alimentation munie d'une vanne 16 dont l'ouverture est commandée par un régulateur 18 pour maintenir le débit d'alimentation égal à un débit de consigne fixé par un calculateur 20. Les buses ou rampes sont réparties tout autour de la barre coulée ou, s'il s'agit d'une barre à section rectangulaire, seulement sur ses grandes faces. Des moyens sont prévus pour régler manuellement la répartition entre les différentes buses ou rampes d'une section, suivant leur position, du débit total d'eau alimentant cette section.
  • La machine est équipée de différents dispositifs de mesure dont les informations sont transmises au calculateur 20 : canne thermométrique 22 pour la mesure de la température du métal en fusion dans le répartiteur 24, sondes thermométriques 26 pour la mesure de la température de l'eau de refroidissement de la lingotière, à l'entrée et à la sortie de celle-ci, débimètre 28 pour la mesure du débit de l'eau de refroidissement de la lingotière, générateur d'implusions 30 pour la mesure de la vitesse d'extraction de la barre et le calcul de l'âge des éléments de la barre, pyromètre 32 pour la mesure de la température superficielle de la barre au voisinage du point de redressement, etc...
  • A partir de ces informations et de données stockées en mémoire dans le calculateur, ce dernier détermine à intervalles réguliers les valeurs de consigne des débits d'alimentation en eau des différentes sections du dispositif de refroidissement. Cet intervalle régulier de temps est compris par exemple entre 1 et 50 secondes.
  • Le principe de contrôle du refroidissement selon le procédé de la demande de brevet européen N° 81.400.212.7 est de maintenir dans le temps l'évolution de la solidification de la barre quel que soit le régime de fonctionnement de la machine de coulée. Pour cela, on impose une loi de variation C = f(t) de la quantité de chaleur extraite par kilo d'acier en fonction du temps de séjour dans la machine (figure 3) à laquelle est associée une loi de variation T = g(t) de la température superficielle de la barre en fonction du temps de séjour dans la machine (figure 2). Ces lois dépendent essentiellement de la nuance de l'acier, du format de la barre et de la vitesse d'extraction. En pratique, pour un format de barre donné, on groupera les nuances d'acier et les vitesses d'extraction en différentes classes.
  • Toutes ces courbes sont définies par des équations paramétriques ou par des valeurs ponctuelles introduites en mémoire dans le calculateur. Les données sur la nuance d'acier et le format de la barre sont introduites dans le calculateur, avant chaque coulée, pour lui permettre de sélectionner le jeu de courbes correspondantes. La vitesse d'extraction est mesurée en permanence au moyen du générateur d'impulsions 30 et le calculateur choisit à chaque instant le jeu de courbes correspondant à la vitesse moyenne déduite de ces mesures.
  • A partir du jeu de courbes sélectionné, le calculateur peut, à chaque instant, calculer le coefficient d'échange thermique superficiel K pour chaque élément de la barre à partir de C et T et en déduire le débit d'eau spécifique q devant être projeté sur l'unité de surface de l'élément considéré à l'aide d'une courbe K = h(q) stockée dans la mémoire du calculateur ; cette courbe peut être unique pour l'ensemble de la zone de refroidissement ou être formée de plusieurs segments de courbe distincts valables dans les différentes sections de la zone.
  • Ce calcul est effectué périodiquement, par exemple toutes les 10 s, et la barre est divisée en éléments dont la longueur est celle de la tranche coulée pendant l'intervalle de temps entre deux calculs successifs. Le numéro d'ordre affecté à chaque tranche dès sa production permet donc à tout instant de connaître son âge et sa position dans la machine.
  • Connaissant le débit d'eau spécifique q pour chaque tranche élémentaire on peut calculer le débit d'eau Q = q x S à projeter sur la surface latérale S de la tranche.
  • Après avoir calculé les débits d'eau à projeter sur chaque tranche de barre se trouvant à un instant donné dans la zone de refroidissement, on calcule par intégration les valeurs de consigne des débits d'eau d'alimentation des différentes sections de la zone de refroidissement et les valeurs calculées sont transmises aux régulateurs respectifs 18.
  • Dans le cas où on utilise des buses ou rampes d'atomisation dans lesquelles les jets d'eau sont divisés en très fines gouttelettes au moyen d'air comprimé, on calcule le débit d'eau total de la zone de refroidissement secondaire et on en déduit le débit d'air total à utiliser, à l'aide d'une équation ou une courbe établissant une relation entre ces deux débits. Des moyens sont prévus pour régler manuellement la répartition entre les différentes sections du débit total d'air alimentant la zone de refroidissement secondaire.
  • Pour déterminer la quantité de chaleur à extraire de chaque tranche élémentaire de la barre dans la zone de refroidissement secondaire, il faut tenir compte de la quantité de chaleur réellement extraite en lingotière. Pour cela on utilise une courbe de base C = f(t) (en trait plein sur la figure 3) correspondant aux conditions de fonctionnement (nuance de l'acier, format de la barre, vitesse d'extraction) que l'on décale parallèlement à l'axe des temps pour la faire passer par le point A dont les coordonnées sont égales, respectivement, au temps de séjour total du produit coulé en lingotière t1 et à la quantité de chaleur C1 effectivement extraite en lingotière ; cette nouvelle courbe de formule générale C = f(t-a) est représentée en traits interrompus sur la figure 3.
  • La température superficielle de la barre à la sortie de la lingotière est calulée pour chaque tranche à partir d'une courbe établie à l'aide de calculs prévisionnels de simulation et donnant l'évolution de cette température en fonction de la quantité de chaleur extraite en lingotière ; cette courbe est stockée dans la mémoire du calculateur. Si cette température TI 1 est différente de la température théorique Tl fournie par la courbe T = g(t) (en trait plein sur la figure 2) correspondant aux conditions de marche de la machine, le calculateur corrigera le débit de cette courbe en admettant, par exemple; une variation linéaire de la température depuis la sortie de la lingotière (point d'abcisse tl) jusqu'à un point prédéterminé de la partie supérieure de la zone de refroidissement (courbe en trait interrompu sur la figure 2), de façon à retrouver en ce point la température théorique. C'est cette courbe corrigée que le calculateur utilisera pendant tout le séjour de la tranche considérée dans la zone de refroidissement secondaire pour déterminer la température superficielle entrant dans le calcul des valeurs de consigne des débits d'eau.
  • A chaque pas de calcul, le calculateur 20 détermine à partir des valeurs du débit et des températures à l'entrée et à la sortie de l'eau de refroidissement de la lingotière, mesurées en continu par les sondes 26 et le débimètre 28, ou à partir d'un fichier de valeurs établies à l'aide de calculs prévisionnels de simulation, la quantité globale de chaleur extraite en lingotière pendant la période de temps séparant deux calculs. En utilisant une courbe de répartition des flux de chaleur extraits le long de la lingotière, on détermine ensuite la quantité de chaleur extraite de chaque tranche élémentaire se trouvant dans la lingotière pendant la période oonsidérée et on calcule la quantité de chaleur extraite d'une masse unitaire de chaque tranche. Sur la figure 4 on a représenté deux courbes donnant les variations du flux de chaleur tf extrait du métal contenu dans une lingotière, à travers la paroi de celle-ci, en fonction de la distance 1 à la surface libre du métal et pouvant être utilisées, comme décrit ci-dessus, pour la mise en oeuvre de l'invention. En réalité, le flux de chaleur extrait varie de façon continue d'une extrémité à l'autre de la partie utile de la lingotière, comme réprésenté par la courbe en trait plein de la figure 4. En pratique, on peut utiliser une courbe donnant une représentation approchée de la loi de répartition du flux (courbe en tirets sur la figure 4) en décomposant la partie utile de la lingotière en plusieurs zones (quatre dans l'exemple illustré) et en admettant que le flux de chaleur conserve une valeur constante dans chacune de ces zones.
  • A chaque pas de calcul, on étudie plus particulièrement la tranche élémentaire de barre située à la sortie de la lingotière et on calcule pour cette tranche l'âge tl et la quantité de chaleur C1 extraite d'une masse unitaire pendant son séjour dans la lingotière puis sa température superficielle T'l. Ce sont ces valeurs qui sont utilisées ensuite, à chaque calcul, pour décaler la courbe C = f(t) et corriger la courbe T = g(t) comme décrit ci-dessus.
  • Ce perfectionnement au procédé de la demande de brevet européen N° 81-400.212.7 permet de déterminer avec plus de précision la quantité de chaleur extraite en lingotière de chaque tranche élémentaire et, par conséquent, d'améliorer le contrôle du refroidissement.

Claims (2)

1. Procédé de contrôle du refroidissement du produit coulé dans une installation de coulée continue suivant leqqel on divise le produit coulé en tranches élémentaires fictives, on détermine périodiquement, au moyen d'un calculateur (20), la quantité de chaleur à extraire de chaque tranche et sa température superficielle à l'aide de courbes (C = f(t), T = g(t) ) donnant les variations de ces grandeurs en fonction de l'âge des tranches, on calcule à partir des valeurs ainsi déterminées le coefficient d'échange thermique puis le débit d'eau spécifique pour la tranche considérée, on calcule le débit d'eau à projeter sur la tranche considérée, on intègre les débits d'eau calculés pour toutes les tranches se trouvant à l'instant considéré dans chaque section de la zone de refroidissement pour déterminer les valeurs de consigne des débits d'eau des différentes sections et on maintient, au moyen de régulateurs (18), les débits d'alimentation en eau des différentes sections égaux aux valeurs de consigne respectives, la courbe (C = f(t) ) donnant les variations de la quantité de chaleur à extraire des tranches en fonction de leur âge étant décalée parallèlement à l'axe des temps, avant chaque calcul des débits d'eau à projeter sur chaque tranche, de façon à la faire passer par le point dont les coordonnées sont, d'une part, le temps du séjour total de la tranche en lingotière (t1) et, d'autre part, la quantité de chaleur (C ) extraite de cette tranche pendant tout son séjour en lingotière, caractérisé en ce que, pour déterminer la quantité de chaleur (Cl) extraite de chaque tranche en lingotière, on détermine périodiquement la quantité de chaleur globale extraite de la lingotière, on répartit cette quantité de chaleur globale sur toute la hauteur utile de la lingotière, suivant une loi prédéterminée, on en déduit la quantité de chaleur extraite de chaque tranche se trouvant dans la lingotière à l'instant considéré et on calcule pour chaque tranche, à sa sortie de la lingotière, la quantité de chaleur totale extraite en lingotière en faisant la somme des quantités de chaleur déterminées périodiquement pendant le séjour de la tranche dans la lingotière.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de la quantité de chaleur totale extraite en lingotière de chaque tranche est utilisée pour déterminer la température superficielle de cette tranche à sa sortie de la lingotière, la valeur ainsi obtenue étant utilisée pour corriger la courbe donnant les variations de la température superficielle en fonction de l'âge des tranches.
EP82401769A 1981-10-02 1982-09-29 Procédé de refroidissement du produit coulé dans une installation de coulée continue Expired EP0076743B1 (fr)

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