CRAN - Campus Sciences
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Sujet de Thèse : Contrôle optimisé de la lubrification des cages en laminage à chaud
Dates : 2014/02/10 - 2017/02/09
Directeur(s) CRAN : Pierre RIEDINGER , Gilles MILLERIOUX
Autre(s) Directeur(s) : Moretto Christian (christian.moretto@arcelormittal.com)
Description : Contexte:
Le groupe ArcelorMittal est une multinationale créée en 2006 et leader dans la production de l’acier. Le groupe développe de manière plus spécifique toute une gamme de produits sophistiqués et à haute valeur ajoutée pour l’automobile, l’emballage ou le nucléaire. Parmi les 11 centres de recherches d’Arcelormittal, celui de Maizières-lès-Metz est le plus important, comptant environ 570 employés. Les recherches menées s’articulent autour de 4 thèmes : l’automobile, la production minière, l’emballage et les procédés. Le sujet de thèse proposé s’intègre dans ce dernier axe.
L’étude a pour cadre industriel l’amélioration des outils de laminage à chaud de bandes d’acier à l’aide d’un procédé de lubrification en cage.
A ce jour, il n’y pas de procédés aboutis, ni d’études de type publications ou brevet précises sur ce sujet. Les références existantes de brevet se contentent d’énoncer les principes généraux d’un procédé de lubrification [1, 2]. Cette étude s’effectuera dans le cadre d’un projet R&D interne au groupe ArcelorMittal nommé « OnlineFWS ». L'enjeu primordial est d'augmenter la « capabilité » du site pilote de production que constitue Florange ainsi que celle des autres sites après déploiement de la solution proposée.
La R&D ArcelorMittal Maizières-Lés-Metz travaille depuis de nombreuses années avec le CRAN (via des thèses, des projets de fin d’étude d’ingénieur ENSEM, et de stagiaires ENSEM et ESSTIN) sur des sujets de pointe, et avec de très bonnes réussites en terme de transfert/déploiement industriel des solutions développées :
• guidage de bandes au finisseur : projet Steering Control (déployé à EisenHüttenStatd) [3,5] ;
• pilotage du refroidissement table de sortie train à bandes : projet SimROT (déployé à Riverdale, Iindiana Harbor West, prochainement en 2014 à Brême et à Florange) [4] ;

Objectifs
Description du processus :
Le laminage à chaud considéré a pour but de transformer des brames d’une longueur de 10m, d’une largeur de 1m50 et d’une épaisseur de 25 cm ayant une température initiale de 1200 degrés en des tôles bobinées sur une longueur de 1000m, de 1m de large, de quelques millimètres d’épaisseur ayant une température de 100 à 700 degrés. Le laminage consiste à faire passer le métal au travers de 7 paires de rouleaux (ou cages) qui se succèdent et font subir un écrasement. La première cage est appelée « dégrossisseuse », la dernière est dénommée « finisseuse ».

Problématique générale :
L’objectif principal est de mettre en œuvre un système automatisé de contrôle de l’épaisseur de la tôle en adjoignant au système existant un système de lubrification (émulsion huile/eau) par cage accompagné d’un système avancé de contrôle qui tienne compte du couplage inter-cage, ceci constituant l’aspect novateur du projet.
Les enjeux sont triples. Ce système permettra tout d’abord d’augmenter la capacité dimensionnelle du train finisseur avec la possibilité de laminer des nuances de produit aujourd’hui inaccessibles et d’étendre de ce fait la gamme proposée aux clients. Pour une réduction d’épaisseur donnée, la lubrification permet également d’abaisser le frottement d’entrefer entre la cage et la bande et entraine une réduction de la force de laminage requise. Les efforts appliqués diminuant, la consommation d’énergie associée aux actionneurs électriques impulsant cette force est réduite. A cette échelle, les économies d’énergies sont substantielles. Enfin, la lubrification permet une réduction de l’usure des rouleaux conduisant à des gains sur les coûts de production et de maintenance associés.

Problématique scientifique détaillée :
La bande de tôles passe successivement à travers un ensemble de cage où elle subit un écrasement conduisant à une réduction d’épaisseur. Au niveau d’une cage, la loi de conservation du débit de matière induit un rapport de réduction d’épaisseur égale au rapport entre la vitesse de bande en amont et en aval.
L’emprise de la bande dans une cage est assurée par des rouleaux qui exercent une pression sur la bande (déformation plastique liée à force de laminage) et qui entraine celle-ci par leur vitesse de rotation. Le contrôle de la tension de bande et de son épaisseur s’effectue par la force de laminage appliquée sur chaque cage, par les vitesses de rotations des rouleaux, et par l’action des loopers (dispositif « tampon » situé entre les cages). Le glissement est défini comme la différence entre la vitesse aval de bande et la vitesse des rouleaux.
Le couplage entre cage est déterminé par les vitesses et les tensions de bande. La force de laminage à appliquer pour obtenir un certain rapport de réduction dépend de la tension de bande, de la nuance de produit laminé, de l’état de surface de la bande et des rouleaux, et du coefficient de frottement entrefer (rouleaux-bande). Ce système présente des échelles de temps différentes (dynamiques lentes pour les épaisseurs et dynamiques rapides pour les tensions).
Travaux envisagés :
La proposition est de revoir la conception de la régulation actuelle et d’y intégrer la régulation du coefficient de frottement qui est étroitement lié à la force de laminage. Un premier problème provient du fait que le frottement ne peut pas être mesuré. Il faut donc trouver une procédure pour l’estimer. Un modèle complexe métallurgique et mécanique permet une première estimation. Il combine les variables que sont : la force de laminage et le glissement, et les paramètres que sont : l’état de surface des cylindres, l’état de surface des produits, la composition chimique de l’acier (nuances). Ces paramètres sont considérés comme des perturbations (mesurées ou non).
La lubrification sera une entrée supplémentaire influant sur le frottement. Elle devra être intégrée au modèle et associée à un contrôle multi variable robuste.
Mots clés : Modelisation; Commande multivariable robuste
Département(s) :
Contrôle Identification Diagnostic
Financement : CIFRE ArcelorMittal