Soutenance mémoire
Le secteur de l’acier est une industrie moderne et bien établie qui fournit des produits à haute valeur ajoutée pour des clients de plus en plus exigeants, en particulier, dans des segments haut de gamme. Ses principaux points forts résident dans la qualité de ses produits grâce à ses moyens technologiques performants. Ses principales pistes à améliorer sont liées à la disponibilité des matières premières et aux contraintes économiques et de respect de l’environnement. En outre, la production ciblée sur de nouveaux produits à base d’aciers allégés et à haute résistance doit encore accentuer les contraintes sur l’ensemble de la filière de fabrication. Le projet proposé par ArcelorMittal vise à faire bénéficier ses systèmes de production de solutions innovantes dans le domaine de l’automatisation des lignes, permettant de limiter les accès aux zones à risque et d’aboutir à un pilotage totalement automatique des outils. Le procédé adopté dans le cadre de cette thèse est celui de la coulée continue dont on souhaite améliorer la régulation de niveau afin de réduire les défauts du produit solidifié liés aux variations de niveau dans la lingotière. La solution qui aura été développée dans le cadre de cette thèse devra présenter un caractère générique et être facilement généralisable à d’autres procédés sidérurgiques. Ce travail de thèse résulte d’une collaboration entre le département Mesure et Contrôle d’ArcelorMittal Recherche et Développement à Maizières-Lès-Metz et le département Automatique de SUPELEC à Gif-sur-Yvette dans le cadre d’une Convention Industrielle de Formation par la Recherche (CIFRE) subventionnée par l’Association Nationale de la Recherche et de la Technologie (ANRT).
Régulation de niveau en lingotière de coulée continue
Nous avons donné dans le paragraphe précédent une vue globale de la machine de coulée continue. Nous détaillerons dans ce paragraphe la tête de machine qui est le siège des variations de niveau d’acier liquide. Comme le montre la figure suivante, la busette en matériau réfractaire plonge dans le bain de métal liquide dont on protège la surface contre l’oxydation grâce au laitier et à la poudre de couverture qui constituent ce que les aciéristes appellent le ménisque. Le métal coule du répartiteur jusqu’à la lingotière en passant par la busette dont les ouïes donnent, selon leurs formes, une direction au jet de métal.
En cours de coulée, il est d’usage d’injecter de l’argon au niveau de la busette submergée pour empêcher le bouchage de son siège et réduire les entrées d’air par aspiration à travers ses parois. Le débit de métal est toujours contrôlé par un système à quenouille ou par un système à tiroirs afin de permettre aux opérateurs de faire couler l’acier à la vitesse fixée par la rotation des rouleaux extracteurs et de maintenir un niveau stable en lingotière pour une bonne qualité du produit final. Cette boucle de régulation peut être fortement perturbée par des évènements courants entraînant systématiquement des anomalies sur les brames. En effet, s’il apparaît des variations importantes et rapides autour de la consigne de niveau, il est probable que le laitier, initialement introduit pour conserver les propriétés de l’acier, se retrouve dans l’acier liquide. De plus, les particules présentes en surface et à proximité des parois sont également emprisonnées lors de variations brutales du niveau. Ceci se manifeste sur le produit final sous forme de fissures et de trous. Par ailleurs, il suffit de procéder à une analyse de quelques échantillons du produit défectueux pour mettre en évidence une solidification précoce liée à une forte variation de niveau ou détecter la présence d’inclusions d’alumine. C’est la raison pour laquelle les opérateurs déclassent de manière systématique les barres d’acier obtenues en présence de variations de niveau importantes.
Bouchage
En cours de coulée, il arrive fréquemment que des bouchons constitués principalement d’alumine se créent au niveau du siège de la quenouille, des parois et des ouïes de la busette. Ce bouchage progressif par des éléments non-métalliques peut modifier l’hydrodynamique dans la lingotière et ainsi perturber le niveau de la surface libre d’acier. Il peut même être dissymétrique, ce qui conduit à une différence des niveaux moyens de part et d’autre de la busette. Au bout d’un certain temps, le système se débouche entraînant une augmentation brutale du débit entrant dans la lingotière et par conséquent une montée soudaine du niveau d’acier dans la lingotière. En cas d’importants débouchages, la boucle de régulation n’est plus en mesure de maintenir un niveau stable, ce qui nécessite de la part de l’opérateur une grande vigilance car le laitier, protégeant la surface libre de l’acier, peut se trouver piégé dans le puits liquide, ce qui peut être à l’origine de défauts de surface de la brame même après laminage.
Gonflement
Contrairement au cycle du bouchage/débouchage, le phénomène du gonflement se produit sous la lingotière en bas de la machine de coulée mais a une influence sur les variations de niveau en lingotière. La transmission des perturbations du bas de la machine jusqu’au ménisque est assurée par la peau solidifiée et le puits liquide. En effet, ce dernier exerce une pression sur la peau solidifiée dont le profil se voit imposer un mouvement sinusoïdal entre les rouleaux extracteurs, en particulier, lorsque son épaisseur est fine et irrégulière. Les désalignements et les faux ronds d’un ou de plusieurs rouleaux de soutien peuvent également être à l’origine de cette perturbation.
Identification du modèle de commande
Les paramètres inconnus du modèle de commande dont la fonction de transfert est donnée par l’équation (5) sont le gain Gn et le retard n τ de la busette d’une part et la constante de temps de l’actionneur a τ d’autre part. Les autres paramètres de cette fonction sont soit donnés par le constructeur soit fixés par les opérateurs en début de séquence de coulée. Classiquement la procédure d’identification peut se diviser en deux étapes : application du protocole d’essai et identification des paramètres en employant les algorithmes appropriés. Aussi, sur site industriel, du fait des impératifs de production et de la nature du procédé, nous sommes contraints de réaliser une identification en boucle fermée. La boucle de régulation est ainsi excitée par des signaux superposés à la consigne de position de la quenouille. Les trois mesures nécessaires aux algorithmes d’identification sont le niveau N , la position de la quenouille P et le débit sortant de la lingotière Qout . Le signal d’excitation, appliqué autour d’un point de fonctionnement, est une Séquence Binaire Pseudo-Aléatoire SBPA dont les propriétés rappellent celles d’un bruit blanc. Il est réglé en tenant compte du point de fonctionnement et du temps de réponse de la boucle fermée.
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Table des matières
General Introduction
CHAPTER 1 Continuous casting in the steel industry
1.1 Introduction
1.2 General aspects of steel
1.2.1 History
1.2.2 Composition
1.2.3 Properties
1.2.4 Applications
1.2.5 Steel in figures
1.3 Steel manufacturing
1.3.1 Ironmaking and steelmaking
1.3.2 Casting
1.3.3 Hot rolling and fabrication processes
1.4 Continuous casting machine
1.4.1 Historical development
1.4.2 Principle and technologies
1.4.3 Types of products
1.4.4 Defects from level variations
1.4.5 Mould level disturbances
1.4.6 Online measurements and control systems
1.4.7 Emerging developments
1.5 Instrumentation for mould level control
1.5.1 Flow control devices
1.5.2 Mould level sensor
1.6 Concluding remarks
CHAPTER 2 Continuous casting process modeling
2.1 Introduction
2.2 Process modeling
2.2.1 Distributed model (numerical fluid dynamics method)
2.2.2 Centralized model
2.3 Disturbances
2.3.1 Introduction
2.3.2 Clogging/unclogging cycle
2.3.3 Bulging
2.3.4 Standing waves
2.4 Chapter summary
CHAPTER 3 Estimation and rejection of disturbances
3.1 Introduction
3.2 Plant model identification
3.2.1 Data acquisition protocol
3.2.2 Offline algorithms
3.3 Disturbances estimation
3.3.1 Clogging/unclogging
3.3.2 Bulging
3.3.3 Global estimation
3.4 Bulging rejection
3.4.1 Bulging effect compensation principle
3.4.2 Simulation validation
3.5 Experiments
3.5.1 Water model description
3.5.2 Similarities with real situation
3.5.3 Mould level control loop
3.5.4 Water model identification
3.5.5 Experimental validation of bulging effect cancellation
3.6 Chapter summary and conclusions
CHAPTER 4 Comparative analysis of non-adaptive control laws
4.1 Introduction (specifications)
4.2 State of the art (PID controller)
4.2.1 Transfer function
4.2.2 Performances
4.3 Predictive control laws
4.3.1 Predictive Functional Control PFC
4.3.2 Generalized Predictive Control GPC
4.3.3 Key notions
4.3.4 Performances comparison
4.4 Smith predictor control
4.4.1 Initial version
4.4.2 Aström’s modified version
4.5 Internal Model Control IMC
4.5.1 Principle
4.5.2 Tuning
4.6 Chapter summary
CHAPTER 5 Robust adaptive control – RMMAC architecture
5.1 Introduction
5.2 Multiple-model structures
5.2.1 Multiple-Model Adaptive Estimation MMAE
5.2.2 Multiple-Model Adaptive Control MMAC
5.3 Structured singular value
5.3.1 Uncertainty representations
5.3.2 Stability and performance robustness
5.3.3 Complex-µ synthesis
5.3.4 Mixed-µ synthesis
5.4 RMMAC architecture for a delay uncertainty
5.4.1 RMMAC benefits
5.4.2 Control part design
5.4.3 Identification part design
5.4.4 Performance evaluation
5.5 Chapter summary
Conclusion
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