EP0080932B1 - Procédé et installation pour effectuer le refroidissement contrôlé de tôles - Google Patents

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EP0080932B1
EP0080932B1 EP19820402134 EP82402134A EP0080932B1 EP 0080932 B1 EP0080932 B1 EP 0080932B1 EP 19820402134 EP19820402134 EP 19820402134 EP 82402134 A EP82402134 A EP 82402134A EP 0080932 B1 EP0080932 B1 EP 0080932B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
cooling
cooling fluid
theoretical
case
Prior art date
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Expired
Application number
EP19820402134
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German (de)
English (en)
Other versions
EP0080932A1 (fr
Inventor
Stéphane Viannay
Jack Sebbah
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
USINOR SA
Original Assignee
Union Siderurgique du Nord et de lEst de France SA USINOR
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Union Siderurgique du Nord et de lEst de France SA USINOR filed Critical Union Siderurgique du Nord et de lEst de France SA USINOR
Publication of EP0080932A1 publication Critical patent/EP0080932A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0080932B1 publication Critical patent/EP0080932B1/fr
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B45/00—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills
    • B21B45/02—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills for lubricating, cooling, or cleaning
    • B21B45/0203—Cooling
    • B21B45/0209—Cooling devices, e.g. using gaseous coolants
    • B21B45/0215—Cooling devices, e.g. using gaseous coolants using liquid coolants, e.g. for sections, for tubes
    • B21B45/0218—Cooling devices, e.g. using gaseous coolants using liquid coolants, e.g. for sections, for tubes for strips, sheets, or plates

Definitions

  • the present invention relates to a process for carrying out the controlled cooling of sheets in order to obtain a perfectly defined crystalline structure of the metal composing it.
  • a method of cooling sheets coming out of rolling mills is known in particular, making it possible to reach high cooling rates with a view to treating sheets of substantial thickness without prohibitively increasing the powers involved. This method and the machine for its implementation are described in FR-A-2 223 096.
  • the heated sheet metal plate is presented horizontally at the entrance to an enclosure in which it is driven in a uniform translational movement by means of rollers.
  • a water blade of constant height and driven by a high speed circulates on both sides of the plate to dissipate the heat from the sheet.
  • each surface element of the metal is in contact, inside the enclosure, with a mass of fluid regularly renewed.
  • the corresponding heat flux exchanged between the plate and the water is higher the higher the flow speed of the water; it is possible thanks to this process to extract a heat flux of the order of 3 x 10 6 W / m 2 .
  • This value corresponds to the core cooling rate of 30 ° C / s of a 30 mm thick plate.
  • the cooling rates achievable according to the process described in the aforementioned patent application appear to be entirely compatible for carrying out, for example, the martensitic quenching of a steel sheet at manganese carbon containing approximately 0.17% carbon and 1/4% manganese, with no other alloying element. It goes without saying that the application of this same treatment to steels containing small amounts of additions, for example, molybdenum, nickel or boron whose presence has the effect of increasing the quenchability, will also produce a structure martensitic.
  • the process defined in the aforementioned patent application does not make it possible to directly obtain the desired final structure of a metal, for example of a steel of given composition.
  • the cooling operation generally results in the martensitic quenching of the metal and an tempering operation, characterized for steel by maintaining a suitable duration at a temperature below 710 ° C., must follow the operation of cooling.
  • studies relating to cooling transformations show that the cooling rate determines the structure of a steel of given composition.
  • Certain phases, in particular bainite, or mixture of phases, bainite and perlite with very fine grains, characterized by good mechanical properties of toughness and ductility, can be sought in the case of suitable grades of steel.
  • the object of the invention is therefore to provide a method and a cooling machine of the aforementioned type, making it possible to adjust and control the cooling rate of the sheet metal plates according to values determined as a function of the desired structures.
  • the subject of the invention is a method for controlling the cooling of a sheet in order to give it a predetermined crystal structure, according to which the sheet to be cooled is passed through an enclosure containing a mass of cooling fluid. regularly renewed, the flow rate of which is adjusted and the temperature of which is measured, characterized in that, as a function of the thickness of the sheet and the desired cooling rate, a theoretical heat flux is determined which must be exchanged between the sheet and the coolant; a theoretical flow speed of the fluid on the sheet is calculated as a function of the temperature of arrival of the cooling fluid and of the theoretical heat flow; the flow rate of the cooling fluid is adjusted as a function of the calculated theoretical speed; a theoretical temperature of the cooling fluid is determined, as a function of the heat flux; this theoretical temperature is compared with the measured temperature, and the inlet temperature of the cooling fluid is regulated as a function of this theoretical temperature.
  • the invention also relates to an installation for implementing the method defined above, said installation comprising a machine composed of an enclosure comprising means for circulating a cooling fluid which moves roughly parallel to the sheet metal, a cooling tank, means for injecting the cooling fluid contained in the tank inside said enclosure and means for discharging the cooling fluid after it has passed through the cooling enclosure, a device for controlling the cooling fluid flow rate and a device for measuring the temperature of the cooling fluid, characterized in that it comprises a member for calculating the theoretical heat flux and a member for calculating the theoretical speed, connected to the calculating member of the theoretical heat flow and to the temperature measurement device, a device for regulating the temperature of the coolant introduced into the girdle, comprising two inputs connected respectively to the device for measuring the temperature of the coolant and to a device providing a theoretical value of the temperature of the coolant, and an output connected to at least one solenoid valve inserted in a circuit d cold water supply to said cooling tank.
  • the invention comprises means for regulating the pressure of the fluid inside the enclosure.
  • the installation shown in FIG. includes a cooling machine 1, a cooling tank 2, and a control and regulation device 3.
  • the cooling machine 1 is of the general type described in patent application n ° 2 223 096.
  • This machine consists of a series of support and guide rollers 4a, 4b to 8a, 8b.
  • the essential elements of the machine arranged symmetrically on either side of the mean plane of the sheet will be designated by the same reference numerals assigned with index a for the upper elements and b for the lower elements.
  • the machine comprises a casing or metal container 9 which extends between the guide rollers 10a, 10b, and surrounds these rolls 11a, 11b.
  • the flat walls 10a, 10b are substantially parallel and are separated by an interval greater than the thickness of the sheet, so as to delimit with the latter two chambers or channels 12a, 12b with a thickness c.
  • Water circulation means comprise at least one supply conduit 13a, 13b, 14a, 14b extending for example over the entire length of the rollers 5 a, 5 b, 7 a, 7 b and at least one exhaust duct 15 a , 15 b , 16 a , 16 b , 17 a , 17 b also extending over the entire length of the rollers 4 a , 4 b , 6 8 , 6 b and 8 a , 8 b .
  • the cooling tank 2 contains the cooling water; on its flanks are provided orifices 18, 19 to allow the exit of the cooling water intended for the machine 1 and water inlet orifices 20, 21 to recover the water which returns from the cooling machine .
  • the orifices 18 and 19 of water outlet of the tray 2 are connected to the supply conduits 13a, 13b, 14a, 14b of the machine through conduits 23a, 23b through feed pumps 24a, B.
  • the water inlet orifices 20, 21 of tank 2 are connected to the discharge conduits 15 a , 15 b , 16 a , 16 b , 17 a , 17 b by conduits 25a, 25 b through electro -Vannes 26a, 26 b.
  • a solenoid valve 27 mounted on line 28 ensures the supply of cold water to the tank.
  • the command and control device 3 essentially consists of a computer which can be of the digital, analog or hybrid type, the latter type being suitable for carrying out processing on both digital and analog quantities.
  • the control and regulating device 3 shown is of hybrid type, it assures the control and regulation of the flow pumps 24a, 24b and solenoid valves 26a, 26b and 27. It is connected by its inputs 1 1 1 2 to a display table 29 of the set values R relating to the desired cooling speed and e relating to the thickness of the sheet metal entering the cooling machine.
  • the setpoints R and e are transmitted in binary coded form to the inputs I 1 and I 2 of the device 3.
  • the input 1 3 is connected to a sensor 30 of the atmospheric pressure P °.
  • Outputs 1 4 and 1 5 transmit the control commands 24a and pump 24b.
  • the inlet 1 6 receives, from a thermometric probe 32 disposed inside the tank 2, the value of the temperature of the coolant.
  • This temperature value is received in the form of an analog signal and in the form of a binary word of several bits.
  • the outputs I 7 to I 9 provide the respective controls for the solenoid valves 27, 26 b and 26a.
  • the input I 10 receives the value of the relative pressure P of the water at the input of enclosure 9 of the machine and transmitted by a pressure sensor 33.
  • This device comprises a member 34 for calculating the value of the heat flux ⁇ exchanged between the sheet metal T and the cooling water, a member 35 for calculating the speed of the cooling fluid necessary to cool the sheet metal under the desired conditions , a member 36 for controlling the flow rate of the pumps 24 a and 24 b , a member 37 for regulating the temperature of the water in the tank 2 and a member 38 for regulating the pressure inside the enclosure 9 cooling.
  • the member 34 is constituted by a programmable read only memory which contains a table A 1 giving the values of the heat flux ⁇ corresponding to different set values R and e.
  • This table A 1 can be determined from a theoretical calculation taking into account the thickness c of the cooling water sheet circulating above and below the sheet to be cooled, and the boundary thermal conditions, in particular the heat flow exchanged on the surface of the sheet. These calculations involving the heat equations, lead to complicated formulas and it is preferable to build the table A 1 directly from tests carried out on several sheet thicknesses and for different cooling rates.
  • the member 35 is also constituted by a programmable read only memory which contains a table A 2 giving the values of the cooling rate corresponding to the different values of thermal flux stored in the memory of the member 34 and to different temperature values 0 of cooling water.
  • This table A 2 is determined from the relation which links the heat flow 0 exchanged, to the flow speed of the cooling water and which is given by the formula: where ⁇ ( ⁇ ) is a coefficient which only depends on the temperature of the cooling water.
  • the member 36 is also constituted by a programmable read-only memory which contains in memory a table A 3 giving the values of the flow rate of the pumps as a function of the values of the speed of the cooling water read in the memory of the member 35.
  • the unit 35 also contains a digital-analog converter, not shown, connected to the output of its memory, necessary for delivering the analog signals for controlling the pumps 24a and 24b.
  • the memory member 34 is connected by its two addressing inputs to it inputs and 1 2 of the device 3 and by its output, on the one hand, to a memory addressing input of the member 35 and , on the other hand, at the input of a multiplication circuit 39 located in the regulating member 37.
  • the memory of the member 35 is connected on its second addressing input to the input 1 6 of the device 3 receiving the binary word transmitted by the temperature probe 32.
  • the output of the member 35 is connected to the addressing input of the memory of the member 36 and the output of the member 36 is connected to the outputs 1 4 and 1 5 of the computer 3.
  • the temperature of the cooling water must naturally be between these two values.
  • 0 M and 0 m are determined from formula (I) for the respective values of ⁇ 0 and ⁇ c and for values V of the speed of the water blade, knowing that the speed V of the blade must be higher than a critical speed V c for the coolant to fill the enclosure.
  • This critical speed corresponds to a dynamic pressure, expressed in water height, equal to the thickness of the tunnel.
  • the circuit 39 for multiplication by a constant is constituted in a known manner by a digital / analog converter composed of a network of resistance cells (R, 2R) in ⁇ whose supply voltage is varied as a function of the value of the constant q.
  • the summing circuit 43 is connected by an input to the output of the circuit 39 and by its other input to the cursor of the potentiometer 40.
  • the summing circuit 44 is connected by an input to the output of the circuit 43 and by its other input to the cursor of the potentiometer 41.
  • the subtraction circuit 45 is connected by an input to the output of the circuit 43 and by its other input to the cursor of potentiometer 42.
  • the comparator 46 has two inputs, one is connected to the input terminal 1 6 of the device 3 to receive the analog signal transmitted by the temperature probe 32 and the other is connected to the output of the circuit 44.
  • the comparator 47 also has two inputs, one is connected to the input terminal 1 6 of the device 30 to receive the analog signal transmitted by the temperature probe 32, the other is connected to the output of the circuit 45.
  • the outputs of the comparators 46 and 47 are connected to two respective inputs of the member 50.
  • the regulating member 38 consists of the potentiometer 51, the summing circuit 52 and the comparator 53.
  • the circuit 52 has two inputs, one of which is connected to the terminal 1 3 of the member 3 and the other is connected to potentiometer cursor 51.
  • Comparator 53 also has two inputs, one is connected to the output of circuit 52 and the other is connected to the input terminal I 10 of the device 3. The output of the comparator 53 is connected to the output terminals 1 8 and I 9 of the device 3.
  • Fig. 2 also show the devices for displaying the reference values R and e of the display panel 29.
  • These devices are constituted by analog digital encoders 54 and 55 whose parallel outputs are connected respectively to the input terminals I 1 and I 2 of the device 3.
  • These coders can consist of simple switch registers whose state represents for example the binary-coded decimal value of the set value.
  • the atmospheric pressure sensor 30 connected to terminal 1 3 of the device 3 and the pressure sensor 33 connected to terminal I 10 .
  • the operation of the cooling installation is as follows.
  • the operator has the manufacturing data which are the thickness e of the sheet and the cooling rate R corresponding to the desired structures of the metal. These two data are displayed on the switch registers 55 and 54 of the display panel 29. They are introduced on the input terminals I 1 and I 2 of the command and regulation device 3 in the direction of the addressing inputs. of the memory of the member 34.
  • the regulating device 37 regulates the temperature of the water in the tank 2.
  • the operating temperature relative to the cooling water is determined by the summing circuit 43 and the multiplication circuit by a constant 39.
  • the circuit 39 delivers an output quantity q ⁇ ⁇ which is proportional to the quantity ⁇ of the heat flux exchanged between the sheet metal plate and the cooling water.
  • This quantity q - 0 is added to the aforementioned constant p displayed inside the calculating member 37 on the potentiometer 40.
  • the permitted limits for variation of the temperature 0f are displayed on the potentiometers 41 and 42, the potentiometer 41 delivering a value + ⁇ and the potentiometer 42 delivering a value - ⁇ .
  • the value + ⁇ is added to the operating temperature ⁇ f in the summing circuit 44 which outputs a value ⁇ f + ⁇ .
  • This theoretical value ⁇ f + ⁇ is compared with the temperature of the water measured in the tank 2, by the comparator 46, the output of which controls the control member 50 of the water supply solenoid valve 27 when the 0 temperature of the measured water is higher than the calculated value ⁇ f + ⁇ .
  • the subtraction circuit 45 subtracts from the calculated value ⁇ , the value - ⁇ transmitted by the potentiometer 42.
  • the result 0f - ⁇ obtained is compared to the value ⁇ of the water measured in the tank 2 to l using comparator 47 to close the solenoid valve 27 when the measured water temperature is lower than the calculated value ⁇ f - ⁇ .
  • the regulation circuit 38 makes it possible to act against the pressure losses which take place in the return circuit and which are due to the reduction in the rate of injection of the cooling water by the pumps.
  • the summation circuit 52 adds the value of the atmospheric pressure Po sensed by the pressure sensor 30 to a value e displayed on the potentiometer 51 and transmits the result of the summation Po + ⁇ to the input of the comparator 53 which compares this value at the pressure value P measured by the pressure sensor 33 inside the cooling enclosure 9.
  • the comparator 53 When the pressure P appears for the comparator 53 greater than the pressure Po + e, the latter controls the opening of the electro -return valves 26a, 26b . By cons if the pressure P is equal to or less than the pressure Po + ⁇ the comparator 53 controls the closing of the solenoid valves 26a and back 26b, so as to increase the pressure P within the enclosure cooling.
  • the temperature regulation device keeps the water in the tank at a constant temperature, which allows firstly, to maintain at a constant level the heat flow exchanged between the sheet and the cooling water and secondly, to keep the vapor pressure in the siphon formed by the discharge conduits 16a, 17a at a constant level, thus avoiding the defusing of the latter and the flow of water through the ends of the machine.

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Description

  • La présente invention concerne un procédé pour effectuer le refroidissement contrôlé de tôles en vue d'obtenir une structure cristalline parfaitement définie du métal la composant.
  • Elle concerne également une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé.
  • On connaît notamment un procédé de refroidissement de tôles sortant de laminoirs permettant d'atteindre des vitesses de refroidissement élevées en vue de traiter des tôles d'épaisseur importante sans pour autant augmenter de façon prohibitive les puissances mises en jeu. Ce procédé et la machine pour sa mise en oeuvre sont décrits dans FR-A-2 223 096.
  • Selon ce procédé, dès la fin du laminage, la plaque de tôle chauffée est présentée horizontalement à l'entrée d'une enceinte dans laquelle elle est entraînée d'un mouvement uniforme de translation au moyen de rouleaux. Simultanément, une lame d'eau de hauteur constante et animée d'une grande vitesse circule sur les deux faces de la plaque pour dissiper la chaleur de la tôle.
  • Ainsi, chaque élément de surface du métal est en contact, à l'intérieur de l'enceinte, avec une masse de fluide régulièrement renouvelée. Le flux thermique correspondant échangé entre la plaque et l'eau est d'autant plus élevé que la vitesse d'écoulement de l'eau est plus grande ; il est possible grâce à ce procédé d'extraire un flux thermique de l'ordre de 3 x 106 W/m2. Cette valeur correspond à la vitesse de refroidissement à coeur de 30 °C/s d'une plaque épaisse de 30 mm. D'après les études et expériences faites par la Demanderesse, les vitesses de refroidissement réalisables selon le procédé décrit dans la demande de brevet précité, apparaissent tout à fait compatibles pour réaliser, par exemple, la trempe martensitique d'une tôle d'acier au carbone manganèse contenant environ 0,17 % de carbone et 1/4 % de manganèse, sans autre élément d'alliage. Il va de soi que l'application de ce même traitement à des aciers contenant des faibles quantités d'additions, par exemple, de molybdène, de nickel ou de bore dont la présence a pour effet d'augmenter la trempabilité, produira également une structure martensitique.
  • Toutefois, le procédé défini dans la demande de brevet précitée ne permet pas d'obtenir directement la structure finale désirée d'un métal, par exemple d'un acier de composition donnée. En effet, l'opération de refroidissement se traduit généralement par la trempe martensitique du métal et une opération de revenu, caractérisée pour l'acier par un maintien de durée convenable à une température inférieure à 710 °C, doit succéder à l'opération de refroidissement. Or, les études relatives aux transformations en refroidissement montrent que la vitesse de refroidissement détermine la structure d'un acier de composition donnée. Certaines phases, notamment bainite, ou mélange de phases, bainite et perlite à grains très fins, caractérisées par de bonnes propriétés mécaniques de ténacité et de ductilité, peuvent être recherchées dans le cas de nuances convenables d'acier.
  • Ainsi, dans la mesure où il serait possible de maîtriser avec précision la vitesse de refroidissement des plaques de tôles, le refroidissement accéléré à vitesse choisie pourrait se substituer pour des compositions bien définies du métal, au traitement de trempe et permettrait de produire directement les structures de métal recherchées sans pratiquer d'opération de revenu supplémentaire.
  • L'invention a donc pour but de fournir un procédé et une machine de refroidissement du type précité, permettant de régler et maîtriser la vitesse de refroidissement des plaques de tôle suivant des valeurs déterminées en fonction des structures souhaitées.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour contrôler le refroidissement d'une tôle en vue de lui conférer une structure cristalline prédéterminée, suivant lequel on fait passer la tôle à refroidir à travers une enceinte contenant une masse de fluide de refroidissement régulièrement renouvelée, dont on règle le débit et dont on mesure la température, caractérisé en ce que, en fonction de l'épaisseur de la tôle et de la vitesse de refroidissement désirée, on détermine un flux thermique théorique devant être échangé entre la tôle et le fluide de refroidissement ; on calcule une vitesse d'écoulement théorique du fluide sur la tôle en fonction de la température d'arrivée du fluide de refroidissement et du flux thermique théorique ; on règle le débit du fluide de refroidissement en fonction de la vitesse théorique calculée ; on détermine une température théorique du fluide de refroidissement, en fonction du flux thermique ; on compare cette température théorique à la température mesurée, et l'on effectue une régulation de la température d'arrivée du fluide de refroidissement en fonction de cette température théorique.
  • L'invention a aussi pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus, ladite installation comprenant une machine composée d'une enceinte comportant des moyens pour faire circuler un fluide de refroidissement qui se déplace à peu près parallèlement à la tôle, un bac de refroidissement, des moyens pour injecter le fluide de refroidissement contenu dans le bac à l'intérieur de ladite enceinte et des moyens pour évacuer le fluide de refroidissement après son parcours dans l'enceinte de refroidissement, un dispositif de commande du débit du fluide de refroidissement et un dispositif de mesure de la température du fluide de refroidissement, caractérisée en ce qu'elle comprend un organe de calcul du flux thermique théorique et un organe de calcul de la vitesse théorique, relié à l'organe de calcul du flux thermique théorique et au dispositif de mesure de la température, un dispositif de régulation de la température du fluide de refroidissement introduit dans l'enceinte, comportant deux entrées reliées respectivement au dispositif de mesure de la température du fluide de refroidissement et à un dispositif fournissant une valeur théorique de la température du fluide de refroidissement, et une sortie reliée à au moins une électro-vanne insérée dans un circuit d'alimentation en eau froide dudit bac de refroidissement.
  • Suivant une autre caractéristique, l'invention comprend des moyens de régulation de la pression du fluide à l'intérieur de l'enceinte.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels :
    • la Figure 1 représente l'installation pour effectuer le refroidissement contrôlé des tôles ; et
    • la Figure 2 représente un mode de réalisation des moyens de commande et de régulation suivant l'invention.
  • L'installation représentée à la Fig. comprend une machine de refroidissement 1, un bac de refroidissement 2, ainsi qu'un dispositif de commande et de régulation 3.
  • La machine de refroidissement 1 est du type général décrit dans la demande de brevet n° 2 223 096. Cette machine est constituée d'une série de rouleaux de support et de guidage 4a, 4b jusqu'à 8a, 8b. D'une façon générale les éléments essentiels de la machine, disposés symétriquement de part et d'autre du plan moyen de la tôle seront désignés par les mêmes références numériques affectées d'indice a pour les éléments supérieurs et b pour les éléments inférieurs.
  • La machine comprend une enveloppe ou enceinte métallique 9 qui s'étend entre les rouleaux de guidage en 10a, 10b, et entoure ces rouleaux en 11a, 11b. Les parois planes 10a, 10b sont à peu près parallèles et sont séparées par un intervalle supérieur à l'épaisseur de la tôle, de façon à délimiter avec cette dernière deux chambres ou canaux 12a, 12b d'épaisseur c. Des moyens de circulation d'eau comprennent au moins un conduit d'alimentation 13a, 13b, 14a, 14b s'étendant par exemple sur toute la longueur des rouleaux 5a, 5b, 7a, 7b et au moins un conduit d'évacuation 15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b s'étendant également sur toute la longueur des rouleaux 4a, 4b, 68, 6b et 8a, 8b.
  • Le bac de refroidissement 2 contient l'eau de refroidissement ; sur ses flancs sont ménagés des orifices 18, 19 pour permettre la sortie de l'eau de refroidissement à destination de la machine 1 et des orifices d'entrée d'eau 20, 21 pour récupérer l'eau qui revient de la machine de refroidissement.
  • Il comporte également sur sa partie supérieure un orifice de trop plein 22.
  • Les orifices 18 et 19 de sortie d'eau du bac 2 sont reliés aux conduits d'alimentation 13a, 13b, 14a, 14b de la machine par des conduits 23a, 23b par l'intermédiaire de pompes d'alimentation 24a, 24b. Les orifices d'entrée d'eau 20, 21 du bac 2 sont reliés aux conduits d'évacuation 15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b par des conduits 25a, 25b au travers d'électro-vannes 26a, 26b. Une électro-vanne 27 montée sur la conduite 28 assure l'alimentation en eau froide du bac.
  • Le dispositif de commande et de régulation 3 est constitué essentiellement par un calculateur qui peut être de type numérique, analogique ou hybride, ce dernier type étant adapté pour effectuer des traitements à la fois sur des grandeurs numériques et analogiques.
  • Le dispositif de commande et de régulation 3 représenté est de type hybride, il assure la commande et la régulation du débit des pompes 24a, 24b et des électro-vannes 26a, 26b et 27. Il est relié par ses entrées 11, 12 à un tableau d'affichage 29 des valeurs de consigne R relative à la vitesse de refroidissement recherchée et e relative à l'épaisseur de la tôle entrant dans la machine de refroidissement. Les valeurs de consigne R et e sont transmises selon une forme codée binaire aux entrées I1 et I2 du dispositif 3. L'entrée 13 est reliée à un capteur 30 de la pression atmosphérique P°. Les sorties 14 et 15 transmettent les ordres de commande aux pompes 24a et 24b. L'entrée 16 reçoit, d'une sonde thermométrique 32 disposée à l'intérieur du bac 2, la valeur de la température du liquide de refroidissement. Cette valeur de température est reçue sous la forme d'un signal analogique et sous la forme d'un mot binaire de plusieurs bits. Les sorties I7 à I9 assurent les commandes respectives des électro-vannes 27, 26b et 26a. Enfin, l'entrée I10 reçoit la valeur de la pression P relative de l'eau à l'entrée de l'enceinte 9 de la machine et transmise par un capteur de pression 33.
  • Les détails de réalisation du dispositif 3 de commande et de régulation sont représentés à la Fig. 2. Ce dispositif comprend un organe 34 de calcul de la valeur du flux thermique Ø échangé entre la tôle T et l'eau de refroidissement, un organe 35 de calcul de la vitesse du fluide de refroidissement nécessaire pour refroidir la tôle dans les conditions souhaitées, un organe 36 de commande du débit des pompes 24a et 24b, un organe 37 de régulation de la température de l'eau dans le bac 2 et un organe 38 de régulation de la pression à l'intérieur de l'enceinte 9 de refroidissement.
  • L'organe 34 est constitué par une mémoire morte programmable qui contient une table A1 donnant les valeurs du flux thermique Ø correspondant à différentes valeurs de consigne R et e. Cette table A1 peut être déterminée à partir d'un calcul théorique prenant en considération l'épaisseur c de la lame d'eau de refroidissement circulant au-dessus et en dessous de la tôle à refroidir, et les conditions thermiques aux limites, notamment le flux de chaleur échangé à la surface de la tôle. Ces calculs faisant intervenir les équations de la chaleur, aboutissent à des formules compliquées et il est préférable de construire la table A1 directement à partir d'essais pratiqués sur plusieurs épaisseurs de tôle et pour des vitesses de refroidissement différentes.
  • L'organe 35 est également constitué par une mémoire morte programmable qui contient une table A2 donnant les valeurs de la vitesse de refroidissement correspondant aux différentes valeurs de flux thermique mémorisées dans la mémoire de l'organe 34 et à différentes valeurs de température 0 de l'eau de refroidissement. Cette table A2 est déterminée à partir de la relation qui lie le flux thermique 0 échangé, à la vitesse d'écoulement de l'eau de refroidissement et qui est donnée par la formule :
    Figure imgb0001
    où α(θ) est un coefficient qui ne dépend que de la température de l'eau de refroidissement.
  • Cette formule a été obtenue à partir d'essais qui ont permis d'établir une relation entre des nombres caractéristiques de l'échange thermique et de l'écoulement.
  • L'organe 36 est également constitué par une mémoire morte programmable qui contient en mémoire une table A3 donnant les valeurs du débit des pompes en fonction des valeurs de la vitesse de l'eau de refroidissement lue dans la mémoire de l'organe 35.
  • Cette table peut facilement être construite à partir des caractéristiques techniques des pompes. L'organe 35 contient également un convertisseur numérique-analogique, non représenté, relié à la sortie de sa mémoire, nécessaire pour délivrer les signaux analogiques de commande des pompes 24a et 24b.
  • La mémoire de l'organe 34 est connectée par ses deux entrées d'adressage aux entrées Il et 12 du dispositif 3 et par sa sortie, d'une part, à une entrée d'adressage de la mémoire de l'organe 35 et, d'autre part, à l'entrée d'un circuit 39 de multiplication situé dans l'organe de régulation 37. La mémoire de l'organe 35 est reliée sur sa deuxième entrée d'adressage à l'entrée 16 du dispositif 3 recevant le mot binaire transmis par la sonde thermométrique 32.
  • La sortie de l'organe 35 est reliée à l'entrée d'adressage de la mémoire de l'organe 36 et la sortie de l'organe 36 est connectée aux sorties 14 et 15 du calculateur 3.
  • L'organe de régulation 37 est constitué par le circuit de multiplication par une constante q, des potentiomètres 40, 41 et 42 utilisés respectivement pour l'affichage d'une constante p et des fourchettes + Δθ et - Δθ de régulation de la température de l'eau contenue dans le bac 2. Il est constitué également de circuits de sommation 43 et 44, d'un circuit de soustraction 45, de comparateurs 46 et 47 et d'un organe 50 de commande de l'électro-vanne d'apport d'eau 27. Les constantes p et q sont définies à partir des caractéristiques de l'installation par les formules suivantes :
    Figure imgb0002
    et
    Figure imgb0003
    où
    • 00 représente la température minimum de l'eau industrielle utilisée en tant que fluide de refroidissement.
    • 6c est la valeur critique de la température de l'eau de refroidissement correspondant à la tension de vapeur p = po - u1.
    • po étant la pression atmosphérique et u1 la hauteur des siphons formés par les conduits supérieurs d'évacuation (15a, 16a, 17a) de la machine.
  • Pendant l'opération de refroidissement la température de l'eau de refroidissement doit naturellement être comprise entre ces deux valeurs.
  • 0M et 0m sont déterminés à partir de la formule (I) pour les valeurs respectives de θ0 et θc et pour des valeurs V de vitesse de la lame d'eau correspondantes, sachant que la vitesse V de la lame doit être supérieure à une vitesse critique Vc pour que le fluide de refroidissement remplisse l'enceinte. Cette vitesse critique correspond à une pression dynamique, exprimée en hauteur d'eau, égale à l'épaisseur du tunnel.
  • Le circuit 39 de multiplication par une constante est constitué de façon connue par un convertisseur numérique/analogique composé d'un réseau de cellules de résistances (R, 2R) en π dont on fait varier la tension d'alimentation en fonction de la valeur de la constante q.
  • Le circuit de sommation 43 est connecté par une entrée à la sortie du circuit 39 et par son autre entrée au curseur du potentiomètre 40.
  • Le circuit de sommation 44 est connecté par une entrée à la sortie du circuit 43 et par son autre entrée au curseur du potentiomètre 41. Le circuit de soustraction 45 est connecté par une entrée à la sortie du circuit 43 et par son autre entrée au curseur du potentiomètre 42.
  • Le comparateur 46 a deux entrées, l'une est reliée à la borne d'entrée 16 du dispositif 3 pour recevoir le signal analogique transmis par la sonde thermométrique 32 et l'autre est reliée à la sortie du circuit 44. Le comparateur 47 a également deux entrées, l'une est reliée à la borne d'entrée 16 du dispositif 30 pour recevoir le signal analogique transmis par la sonde thermométrique 32, l'autre est reliée à la sortie du circuit 45. Les sorties des comparateurs 46 et 47 sont reliées à deux entrées respectives de l'organe 50.
  • L'organe de régulation 38 est constitué du potentiomètre 51, du circuit de sommation 52 et du comparateur 53. Le circuit 52 a deux entrées dont l'une est connectée à la borne 13 de l'organe 3 et l'autre est connectée au curseur de potentiomètre 51.
  • Le comparateur 53 a également deux entrées, l'une est reliée à la sortie du circuit 52 et l'autre est reliée à la borne d'entrée I10 du dispositif 3. La sortie du comparateur 53 est connectée aux bornes de sortie 18 et I9 du dispositif 3.
  • Sur la Fig. 2 figurent également les dispositifs d'affichage des valeurs de consigne R et e du tableau d'affichage 29. Ces dispositifs sont constitués par des codeurs analogiques numériques 54 et 55 dont les sorties parallèles sont connectées respectivement aux bornes d'entrée I1 et I2 du dispositif 3. Ces codeurs peuvent être constitués par de simples registres d'interrupteurs dont l'état représente par exemple la valeur décimale codée en binaire de la valeur de consigne. On a également fait figurer sur la Fig. 2 le capteur de pression atmosphérique 30 relié à la borne 13 du dispositif 3 et le capteur de pression 33 relié à la borne I10.
  • Le fonctionnement de l'installation de refroidissement est le suivant. L'opérateur dispose des données de fabrication qui sont l'épaisseur e de la tôle et la vitesse de refroidissement R correspondant aux structures recherchées du métal. Ces deux données sont affichées sur les registres d'interrupteurs 55 et 54 du panneau d'affichage 29. Elles sont introduites sur les bornes d'entrée I1 et I2 du dispositif de commande et de régulation 3 en direction des entrées d'adressage de la mémoire de l'organe 34. Ces grandeurs d'entrée e et R adressent le contenu d'une zone de la mémoire de l'organe de calcul 34 dans laquelle se trouve la grandeur 0 correspondante du flux thermique théorique échangé entre la plaque de tôle et l'eau de refroidissement, suivant la relation 0 = A1 (R, e).
  • L'organe de calcul 35 détermine la vitesse V = A2 (0, 0) de la lame d'eau circulant sur la plaque de tôle, en fonction du flux thermique calculé précédemment par l'organe 34, et de la température régnant dans le bac 2. Ce calcul est effectué par adressage de la mémoire de l'organe 34 par les valeurs binaires de 0 et 0 transmises respectivement par l'organe 34 et la sonde thermométrique 32.
  • Lorsque la vitesse V de l'écoulement de l'eau dans les canaux 12a, 12b est obtenue de l'organe 35, l'organe 36 de commande agit sur le débit des pompes 24a et 24b, de façon à ajuster le débit de l'eau de refroidissement dans les conduits 13a, 13b, 14a et 14b. Il résulte de ce qui précède que le dispositif de commande et de régulation 3 commande le débit des pompes pour réaliser la vitesse de refroidissement désirée en fonction des données de consigne : e = épaisseur de la tôle, R = vitesse de refroidissement et 0 = température de l'eau contenue dans le bac 2.
  • Le dispositif de régulation 37 assure la régulation de la température de l'eau dans le bac 2. La température de fonctionnement relative à l'eau de refroidissement est déterminée par le circuit de sommation 43 et le circuit de multiplication par une constante 39. Le circuit 39 délivre une grandeur de sortie q · Ø qui est proportionnelle à la grandeur Ø du flux thermique échangé entre la plaque de tôle et l'eau de refroidissement. Cette grandeur q - 0 est additionnée à la constante p précitée affichée à l'intérieur de l'organe de calcul 37 sur le potentiomètre 40. La sortie du sommateur 43 délivre donc un signal d'amplitude Of = q - 0 + p. Les limites permises de variation de la température 0f sont affichées sur les potentiomètres 41 et 42, le potentiomètre 41 délivrant une valeur + Δθ et le potentiomètre 42 délivrant une valeur - Δθ. La valeur + Δθ est additionnée à la température de fonctionnement θf dans le circuit de sommation 44 qui délivre en sorti une valeur θf + Δθ. Cette valeur θf + Δθ théorique est comparée à la température de l'eau mesurée dans le bac 2, par le comparateur 46 dont la sortie commande l'organe de commande 50 de l'électro-vanne d'apport d'eau 27 lorsque la température 0 de l'eau mesurée est supérieure à la valeur calculée Δf + Δθ. D'une façon similaire le circuit de soustraction 45 soustrait de la valeur θ calculée, la valeur - Δθ transmise par le potentiomètre 42. Le résultat 0f - Δθ obtenu est comparé à la valeur θ de l'eau mesurée dans le bac 2 à l'aide du comparateur 47 pour fermer l'électro-vanne 27 lorsque la température de l'eau mesurée est inférieure à la valeur θf - Δθ calculée. Le circuit de régulation 38 permet d'agir à l'encontre des pertes de pression ayant lieu dans le circuit de retour et qui sont dues à la réduction du débit d'injection de l'eau réfrigérante par les pompes. Le circuit de sommation 52 additionne la valeur de la pression atmosphérique Po captée par le capteur de pression 30 à une valeur e affichée sur le potentiomètre 51 et transmet le résultat de la sommation Po + ε à l'entrée du comparateur 53 qui compare cette valeur à la valeur de pression P mesurée par le capteur de pression 33 à l'intérieur de l'enceinte de refroidissement 9. Lorsque la pression P apparaît pour le comparateur 53 supérieure à la pression Po + e celui-ci commande l'ouverture des électro-vannes de retour 26a, 26b. Par contre, si la pression P est égale ou inférieure à la pression Po + ε le comparateur 53 commande la fermeture des électro-vannes de retour 26a et 26b, de manière à augmenter la pression P à l'intérieur de l'enceinte de refroidissement.
  • L'ensemble des dispositifs de régulation de la température et de la pression qui viennent d'être décrits procurent les avantages suivants.
  • Tout d'abord le dispositif de régulation de la température maintient l'eau du bac à une température constante, ce qui permet premièrement, de maintenir à un niveau constant le flux de chaleur échangé entre la tôle et l'eau de refroidissement et deuxièmement, de garder à un niveau constant la tension de vapeur dans le siphon formé par les conduits d'évacuation 16a, 17a, évitant ainsi le désamorçage de ce dernier et l'écoulement de l'eau par les extrémités de la machine.
  • En second lieu, la présence des électro-vannes 26a et 26b dans chacun des circuits d'évacuation, et dont l'ouverture est asservie au débit des pompes d'alimentation, permet d'éviter les effets dus aux pertes de pression dans la machine. Leur action dans le circuit de retour, en maintenant la pression à l'intérieur de l'enceinte légèrement supérieure à la pression atmosphérique, permet d'éviter les entrées d'air dans la machine qui nuiraient à son bon fonctionnement.
  • L'exemple de réalisation de l'invention qui vient d'être décrit a été donné dans une version hybride analogique numérique de l'organe de commande et de régulation 3. Il est bien évident que l'on pourrait arriver au même résultat avec un calculateur numérique programmé. Dans ce cas il suffirait de mémoriser les données de consigne e et R ainsi que les tables Ai, A2 et A3 dans la mémoire du calculateur et de calculer les valeurs théoriques du flux thermique 0 et de la vitesse V d'écoulement par exécution de programmes correspondants.
  • On notera également que la plupart des opérations décrites ci-dessus pourraient également être réalisées manuellement, dans ce cas la commande des pompes pourrait être réalisée par la lecture d'abaques correspondants aux tables Ai, A2 et A3 précédemment décrites.

Claims (7)

1. Procédé pour contrôler le refroidissement d'une tôle en vue de lui conférer une structure cristalline prédéterminée, suivant lequel on fait passer la tôle à refroidir à travers une enceinte contenant une masse de fluide de refroidissement régulièrement renouvelée dont on règle le débit et dont on mesure la température, caractérisé en ce que, en fonction de l'épaisseur de la tôle et de la vitesse de refroidissement désirée, on détermine un flux thermique théorique devant être échangé entre la tôle et le fluide de refroidissement ; on calcule une vitesse d'écoulement théorique du fluide sur la tôle en fonction de la température d'arrivée du fluide de refroidissement et du flux thermique théorique ; on règle le débit du fluide de refroidissement en fonction de la vitesse théorique calculée ; on détermine une température théorique du fluide de refroidissement en fonction du flux thermique théorique ; on compare cette température théorique à la température mesurée et l'on effectue une régulation de la température d'arrivée du fluide de refroidissement en fonction de cette température théorique.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on maintient la pression aux extrémités de l'enceinte à une valeur supérieure à la pression atmosphérique.
3. Installation pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, comprenant une machine (1) composée d'une enceinte comportant des moyens (10a, 10b) pour faire circuler un fluide de refroidissement qui se déplace à peu près parallèlement à la tôle, un bac de refroidissement (2), des moyens (13a, 13b, 23a, 23b) pour injecter le fluide de refroidissement contenu dans le bac à l'intérieur de ladite enceinte et des moyens (17a, 17b, 25a, 25b) pour évacuer le fluide de refroidissement après son parcours dans l'enceinte de refroidissement, un dispositif de commande (24a, 24b) du débit du fluide de refroidissement et un dispositif (32) de mesure de la température du fluide de refroidissement, caractérisée en ce qu'elle comprend un organe (34) de calcul du flux thermique théorique et un organe de calcul (35) de la vitesse théorique, relié à l'organe de calcul (34) du flux thermique théorique et au dispositif (32) de mesure de la température, un dispositif (37) de régulation de la température du fluide de refroidissement introduit dans l'enceinte, comportant deux entrées reliées respectivement au dispositif (32) de mesure de la température du fluide de refroidissement et à un dispositif (39, 43) fournissant une valeur théorique de la température du fluide de refroidissement, et une sortie reliée à au moins une électro-vanne (27) insérée dans un circuit d'alimentation (28) en eau froide dudit bac de refroidissement.
4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dispositif (37) de régulation de la température du fluide de refroidissement comprend un moyen de calcul (39, 43) de la température de refroidissement désirée en fonction du flux thermique calculé par l'organe de calcul (34).
5. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dispositif (37) de régulation de la température du fluide de refroidissement comprend :
- un moyen de calcul (39, 43) de la température de refroidissement désirée en fonction du flux thermique calculé par l'organe de calcul (34) ;
- une sonde (32) de mesure de la température du fluide de refroidissement pénétrant dans ladite enceinte ;
- un comparateur (46, 47) de la température de refroidissement calculée par le moyen de calcul (37, 43) à la température mesurée par la sonde de mesure 32, et
- au moins une électro-vanne (27) insérée dans le circuit d'alimentation (28) en eau froide dudit bac de refroidissement, reliée au comparateur (46, 47),
6. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (38) de régulation de la pression du fluide aux extrémités de l'enceinte.
7. Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de régulation de la pression (38) du fluide à l'intérieur de l'enceinte comprennent :
- un premier capteur (33) pour mesurer la pression aux extrémités de ladite enceinte (9) ;
- un second capteur (30) pour mesurer la pression atmosphérique ;
- un comparateur (53) relié auxdits capteurs pour comparer la pression mesurée dans l'enceinte à la pression atmosphérique mesurée par le deuxième capteur ;
- au moins une électro-vanne (26a, 26b) insérée dans lesdits moyens pour évacuer le fluide et commandés par le résultat de la comparaison effectuée par ledit comparateur (53) de telle manière que les électro-vannes soient fermées lorsque la pression mesurée par le premier capteur est inférieure ou égale à la pression atmosphérique.
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