4.2) Moyens existants pour éviter ou limiter les instabilités

De nombreux moyens ont déjà été mis en œuvre dans le but d’empêcher ou limiter les instabilités aéroélastiques des bandes, cependant aucun d’entre eux n’a pour l’instant résolu le problème de façon totale. Certains méritent néanmoins d’être cités afin de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu.

II.4.2.a) Les rouleaux stabilisateurs

Cette technique est très utilisée dans la plupart des sections de refroidissement rapide et parfois également dans les brins descendants des tours APC. Il s’agit de mettre en place un dispositif de rouleaux au milieu des tours afin de réduire la longueur de bande libre ainsi que l’amplitude de leurs ventres de vibration. Afin d’être certain que ces rouleaux bloquent bien les oscillations de bande, ils sont disposés de façon imbriquée (voir Fig. 19).

En effet, plus les tours sont hautes plus l’amplitude des vibrations peut être potentiellement élevée au niveau des ventres. Cette technique permet donc de réduire les amplitudes d’oscillation de façon conséquente mais n’empêche pas leur apparition. Dans le cas des modes longitudinaux, ils augmentent la fréquence d’oscillation proportionnellement à la diminution de longueur libre qu’ils créent (voir § II.3.2.a)). Par ailleurs, leur coût de mise en place est élevé et ils imposent un contact avec la bande, ce qui les empêche d’être placés juste après la galvanisation par exemple. Grâce à l’expression (II.3.8) on sait que chaque nième mode longitudinal crée n nœuds de vibrations sur la hauteur libre de bande H. Ainsi pour une bonne efficacité il faut donc éviter de placer les rouleaux aux emplacements de nœuds des premiers modes de bande (les plus énergétiques).

Fig. 19 Schéma de disposition de rouleaux stabilisateurs sur une tour de galvanisation

II.4.2.b) Stabilisation par coussins d’air « PAD »

Il s’agit de créer un coussin d’air entre la bande et le caisson de soufflage en utilisant des jets plans inclinés l’un vers l’autre et situés très proches de la bande. Ils permettent en soufflant à une vitesse élevée de confiner l’air entre les deux fentes et la bande ce qui crée une importante force de répulsion (voir Fig. 20 et Fig. 21). En plaçant ce type de caisson de part et d’autre de la bande on peut en quelque sorte la « pincer » sans la toucher. Les PAD jouent donc le même rôle que des rouleaux stabilisateurs et participent de plus au refroidissement de la bande. Fives Stein propose cette solution stabilisatrice sur les brins montants des tours les plus critiques, juste après l’essorage.

Ainsi grâce à ses bonnes propriétés stabilisatrices, cette technologie a été utilisée en guise de refroidissement même si elle n’est pas optimisée pour les transferts de chaleurs. Des fabricants tels que Drever (Renard et Al. [8]) placent une multitude de coussins d’air en série sur une grande hauteur de bande pour la refroidir, ce qui crée une configuration naturellement très stable (Shimokawa et al. [5] et [6]). L’inconvénient majeur de ce type de solution est son coût. En effet, ce dispositif n’étant efficace que très proche de la bande, il nécessite souvent un système de mise en place mobile qui est très onéreux. De plus ce système est clairement optimisé pour stabiliser la bande, mais il ne l’est pas pour les transferts de chaleur, ce qui implique un plus grand coût d’utilisation à long terme.

Zinc

Brin montant (pas de rouleaux stabilisateurs) Rouleaux

stabilisateurs en place

Rouleaux écartés ^Bande

Rouleaux stabilisateur s en place Zoom sur l’imbrication des rouleaux

Fig. 20 Simulation numérique de la pression de confinement d’un PAD (Fluent)

Fig. 21 Schéma de disposition d’un système de stabilisation

« PAD »

II.4.2.c) Stabilisation par effet électromagnétique

Ce type de système tend à se généraliser sur le brin montant des tours de refroidissement des dernières lignes de galvanisations destinées à fournir des bandes pour l'industrie automobile. Le stabilisateur électromagnétique se positionne directement après l'essorage où il joue le même rôle que celui des PAD (voir Fig. 22). Son principe est notamment décrit dans l'article de Juergens et Behrens (rèf. [10]), il s'agit de plusieurs inducteurs produisant une force électromagnétique normale à la bande, qui est ajustée en fonction de sa largeur.

Plenum

Fentes inclinées

Bande ^{Coussin d’air (forte}

pression statique) ^Bande

Plenum

Jets

Plenum

Fig. 22 Stabilisateur électromagnétique « DEMCO system » de SMS group (brochure commerciale de SMS Siemag, SMS group)

Une autre solution de stabilisation très simple consisterait à placer de gros aimants permanents sur les bords de la bande (voir Fig. 23). Cependant pour une bonne efficacité, cette technique nécessiterait de maintenir en permanence les aimants à une faible distance des bords de la bande (10 à 20 mm) quelle que soit sa largeur, ce qui impliquerait un suivi de rive adaptatif qui peut être onéreux.

Fig. 23 Schéma de disposition d’aimants pour dissiper l’énergie des oscillations de bande

II.4.2.d) Augmentation artificielle de raideur

On retrouve communément deux techniques différentes pour augmenter la raideur des bandes. La première consiste à vriller la bande en plaçant volontairement les rouleaux du haut

Jet Aimant Aimant Jets Bande

Bande

Electro-aimants

Couteaux d’air

(essorage)

Bain de

zinc

et du bas des tours avec un léger angle l’un par rapport à l’autre. Ce qui induit une raideur de bande en torsion.

La deuxième méthode consiste à appliquer à la bande une pression de ventilateur non homogène sur la hauteur de la tour afin de placer la bande en contrainte en forme de « S ».

Ces techniques peuvent améliorer les conditions de vibration en fonction des cas et être inutile dans d’autres. L’efficacité de telles méthodes n’est pas prouvée, le secret industriel empêche d’en savoir davantage.

II.4.2.e) Bilan sur les moyens existants

On peut remarquer que la plupart de ces techniques ont pour but d’augmenter la raideur structurelle des bandes ce qui n’a d’effet que sur la divergence. Cependant lorsqu’une instabilité de flottement survient, aucune solution fiable n’a encore été mise au point afin de dissiper l’énergie des oscillations. Pour l’instant il est uniquement possible d’en limiter l’amplitude en pinçant la bande par exemple. En pratique, les ingénieurs de mise en route des lignes examinent les cas d’apparition des flottements sur le terrain et donnent des consignes aux opérateurs pour baisser la puissance de soufflage lors des cas critiques.

Toutes ces observations tendent à montrer que pour contrôler de façon efficace les problèmes d’aéroélasticité des bandes d’acier, il est nécessaire de connaître tous les paramètres influents afin d’adapter les conditions de ligne aux bandes cas par cas. On constate également que les conditions de défilement des bandes ne permettent que très peu d’actions directes pour empêcher les instabilités. C’est pourquoi cette étude se focalise sur la géométrie de soufflage des jets qui est quant à elle facilement modifiable.