Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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La présente invention a trait au domaine du brassage électromagné-
tique de produits mctalliques liquides et notamment de l'acier en fusion, lors
de la coulée continue de ces produits.
On réalise la coulée continue, de l'acier par exemple, en introdui-
sant de fa,con ininterrompue le métal en fusion dans une lingotière ouverte à
ses deux extrémités et énergiquement refroidie, à la sortie de laquelle on
retire, également de façon ininterrompue, une barre solidifiée extérieurement
et dont le coeur, encore liquide, se solidifie progressivement.
Les produits coulés en continu, notamment l'acier, présentent des
amas d'inclusions non métalliques localisés immédiatement sous leur surface.
On peut être alors amené, pour des raisons de qualité, à éliminer les premiers
millimètres de peau des produits bruts de coulée. De telles opérations, habi-
tuellement qualifiées de"flammage" conduisent à une perte d'acier par tonne
coulée qui peut facilement atteindre 40 kg dans le cas des brames de dimensions
habituelles.
On sait actuallement que la quantité et la répartition tes inclusions
dans la masse des produits coulés sont conditionnées par la nature de l'écoule-
ment du métal liquide en lingotière et on a pu montrer qu'il était possible de
ne plus avoir recours aux opérations de flammage en contrôlant de manière ef-
ficace les mouvements de convection 4ui se développent dans l'acier en fusion
au sein de la lingotière.
A cet effet, il est connu, et les travaux du demandeur y ont forte-
ment contribué, (demandes de brevets français n 72/20.544, 73/37.514, et
demandes de brevets Canadiennes n 261 357, 261 398), de pouvoir contrôler les
mouvements de convection à l'aide de champs magnétiques non stationnaires,
glissant le long des parois de la lingotière de préférence dans le sens remon-
tant, c'est-à-dire en sens opposé à celui de l'extraction des produits. Ces
mouvements, semblables à ceux qui existent dans un lingot d'acier effervescent
procurent alors un lavage de la peau solidifiée et les inclusions qui auraient
tendance à être picgces par le front de solidification sont entraInées vers la
surface libre du mctal liquide en lingotière où elles dccantent naturellement
en grande partie.
Généralement le champ magnétique glissant est généré par un induc~
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.... .
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teur polyphasé, similaire à un stator de moteur linéaire, immergé dans les
boites à eau d'une lingotière de coulée continue adaptée à cet effet.
Les résultats obtenus jusqu'ici sont positifs en ce sens qu'ils
montrent effectivement une diminution de la quantité globale d'inclusions par
rapport aux produits non brassés et un transfert des amas d'inclusions sous-
cutanées vers le centre des produits coulés.
Toutefois, il s'agit là d'une technique assez récente, qui actuelle-
ment n'a pas encore atteint toute sa maturité et qui pose encore un certain
nombre de problèmes tant sur le plan électrotechnique que métallurgique.
L'un d'entre eux consiste à savoir doser judicieusement l'action du
champ magnétique de manière à obtenir rapidement et ~ coup sûr un résultat
industriel désiré sans expérimentation inutilement longue et coûteuse.
La présente invention a précisément pour but d'apporter une solution
au problème du réglage de l'action du champ magnétique de manière à obtenir de
façon constante et reproductible un déplacement des amas d'inclusions non
métallique vers l'axe des produits coulés.
A cet effet la présente invention a pour objet un procédé de brassage
électromagnétique de produits métalliques en cours de solidification lors des
opérations de coulée continue, selon lequel le brassage est produit par un
champ magnétique non stationnaire, glissant dans une direction parallèle à
l'axe de couleé et caractérisé en ce que la propagation du champ magnétique
s'effectue selon un sens opposé à celui de l'extraction des produits, que l'on
fait agir ce champ sur la colonne de produit liquide coulé en lingotièré jusqu'
à un niveau supérieur correspondant au moins à celui du début de la solidifi-
cation du produit coulé et qu l'on règle l'action du champ en fonction d'une
profondeur d (en mm) prédéterminée pour la localisation des amas d'inclusions
au sein des produits coulés de manière à satisfaire à la relation:
B2. L = l ~16 d2 ~ 120 d)
où B représente la valeur efficace du champ magnétique exprimée en Tesla, L
représente la distance sur laquelle agit le champ magnétique, exprimée en m,
y réprésente la conductibilité électrique du métal liquide coulé, exprimée en
Q . m 1 et v représente la vitesse de propagation du champ magnétique expri-
mée en m/s.
~; - 2 -
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L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en
oeuvre du procédé mentionné ci-haut, comprenant une lingotière de coulée con-
tinue et un inducteur polyphasé, similaire à un stator de moteur linéaire et
produisant un champ magnétique non stationnaire glissant selon une direction
parallèle à l'axe de la lingotière et selon un sens opposé à celui de l'extrac-
tion des produits coulés caractérisé en ce que l'inducteur est constitue de
deux parties distinctes:
- une partie supérieure fixe, disposée à l'intérieur des boites de
refroidissement de la lingotière et s'étendant substantiellement sur toute la
hauteur de la lingotière.
- une partie inférieure amovible et de longueur utile modifiable à
volonté, disposée à l'extérieur de la lingotière ~ la suite de ladite partie
fixe et constituant un prolongement longitudinal de l'inducteur dans le sens
d'extraction des produits coulés.
Selon une variante du dispositif conforme à l'invention, appropriée
au brassage de produits métalliques de faible section tels que les billettes,
l'inducteur est constitué par un empilage régulier de bobines identiques en-
tourant le produit coulé et les bobines constitutives de la partie inférieure
amovible sont déconnectables individuellement de manière à pouvoir modifier la
longueur utile de l'inducteur en fonction de la profondeur désirée de localisa-
tion des amas d'inclusions au sein des produits coulés.
Conformément à une autre variante, appropriée au brassage de produits
de large section, tels que les brames, la partie fixe de l'inducteur, immergée
dans les boites de refroidissement de la lingotière, est constituée de deux
enroulements distincts disposés respectivement en regard de chacune des grandes
faces du produit coulé et agissant substantiellement sur toute la largeur du
produit et la partie amovible, placée à l'extérieur de la lingotière, a la
suite de la partie fixe est constituée par des enroulements disposés à 1'
intérieur des rouleaux de soutien en contact avec les grandes faces du produit
coulé et se succédant régulièrement à la sortie de la lingotière sur une dis-
tance prédéterminée en fonction de la profondeur désirée de localisation des
amas d'inclusions au sein des produits coulés.
Par amovible il faut entendre non seulement la possibilité physique
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de démonter ou remonter des éléments de la partie inférieure de l'inducteur
selon que l'on désire diminuer ou augmenter la longueur utile, c'est-à-dire
celle active, de son entrefer mais également la possibilité de pouvoir simple-
ment déconnecter ou reconnecter ces élements à l'alimentation électrique sans
avoir à les déplacer physiquement. Autrement dit on peut modifier la longueur
de la partie agissante de l'entrefer de deux facons équivalentes: soit en
faisant varier la hauteur de l'inducteur, dans ce cas cette dernière coincide
avec celle de la partie active de l'entrefer, soit en modifiant les connections
de la partie inférieure de l'inducteur sans rien changer à sa hauteur, dans ce
cas on fait varier la longueur de la partie active de l'entrefer sans modifier
la longueur de l'inducteur.
Comme on le comprend, la présente invention vise à améliorer la
propreté inclusionnaire sous-cutanée des produits métalliques coulés en con-
tinu. A cet effet elle fournit un moyen efficace et fiable de réglage de 1'
action du champ magnétique de manière que la forte concentration inclusion-
naire, qui en l'absence de brassage électromagnétique se localise dans les
tous premiers millimètres, immédiatement sous la surface des produits, soit
transférée vers l'axe de ces derniers sur une profondeur de valeur désirée et
prédéterminée.
Les essais industriels entrepris par le demandeur ont montré d'une
part que le brassage électromagnétique remontant, c'est-à-dire une propagation
de l'onde de flux magnétique dans le sens opposé à celui de l'extraction des
produits, occasionnait non seulement une diminution de la quantité globale d'
inclusions mais encore et sortout un déplacement des amas d'inclusions vers le
centre des produits coulés et d'autre part que l'ampleur de ce déplacement
était fonction de l'intensité d'action du champ magnétique.
Le demandeur a poursuivi ses recherches en vue de confirmer une
relation et a réussi à la représenter sous une expression analytique simple
de la forme:
B . L = v [16 d + 120 d]
reliant ainsi le résultat métallurgique recherché, représenté dans le membre
de droite par le grandeur d (en mm) représentative du déplacement des amas
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d'inclusions à l'intérieur du produit coulé, à l'action du champ magnétique
représenté au membre de gauche par son intensité efficace B (en Tesla) et la
distance L (en mm) le long de laquelle agit le champ. Dans cette expression
y représente la conductibilité électrique du produit coulé (en Q 1 . m 1) et
v le module de la vitesse de propagation du champ magnétique (en m/s).
Comme on le voit, pour une valeur de d choisie au départ on peut
ajuster l'action de l'inducteur, de manière a satisfaire à la rela~ion pré-
cédente, en réglant les paramètres B et L soit séparément, soit simultanément.
Le réglage de B passe comme on le sait par un ajustement de 1'
intensité du courant alimentant l'inducteur; le réglage de L correspond à
un ajustement de la longueur utile de l'entrefer c'est-à-dire à des difica-
tions de la longueur de l'inducteur. Il doit etre bien compris qu'une condi-
tion importante à laquelle doit satisfaire l'action du champ est que cette
dernière ne doit pas débuter à un niveau inférieur à celui correspondant au
début de la solidification en lingo~ières des produits coulés. Ceci afin de
permettre un controle des mouvements de convection du métal liquide dès le
début de la formation du front de solidification.
Dans l'état actuel des connaissances, on ne sait définir avec pré-
cision à quel endroit de la lingotière la solidification du produit coulé est
suffisamment avancée pour occasionner la formation, contre les parois de la
lingotière, d'une première croate solidifiée définissant le début du front de
solidification. On pourra s'affranchir aisément de cette incertitude en
faisant débuter l'action du champ magnétique déjà au voisinage de la surface
libre du métal liquide en lingotière.
En toute rigueur, il est possible de satisfaire à la relation pré-
cédente lorsque d varie, en agissant sur la vitesse v du champ, c'est-à-dire
sur la fréquence N (en Hz) du courant alimentant l'inducteur puisqu'il est
bien connu que v = 2 TN où T représente le pas polaire de l'inducteur (en m).
Toutefois, le demandeur a déjà mis en évidence dans la demande de BTevet Cana-
dienne n 271 456 qu'en raison de la présence d'une lingotière en matérau con-
ducteur de l'électricité (généralement en cuivre ou alliage du cuivre) le
champ magnétique traversant cette dernière s'affaiblit lorsque la fréquence N
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du courant croit. Il existe ainsi pour une lingotière donnée une fréquence N
optimale au-delà de laquellela poussée électromagnétique engendrée dans le
métal liquide décroit. Une mise en oeuvre avantageuse, mais non limitative,
de la présente invention consis~e donc à considérer v comme un paramère fixé
à une valeur prédéterminée correspondant à la fréquence cptimal du courant d'
alimentation.
L'invention sera bien comprise en se reportant à la description d'
exemples de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé,
donnée dans ce qui suit en référence aux planches de dessins annexées dans
lesquelles:
- la figure 1 représente une w e en coupe longitudinale d'un disposi-
tif selon l'invention pour la coulée continue de produits de petits formats
- la figure 2 représente une vue en coupe longitudinal d'une variante
du dispositif selon l'invention, adaptée à la coulée continue de prouduits à
large section.
En se reportant à la figure 1, on voit que le dispositif comprend
une lingotière 1 refroidie sur toute sa longueur par un courant forcé de
liquide de refroidissement circulant de bas en haut dans un espace annulaire
2 de faible largeur ceinturant la paroi de la lingotière, le liquide de
refroidissement étant respectivement introduit et évacué par des chambres ~ou
boites) réf~rencées 3 et 4.
Dans l'exemple décrit, l'introduction du métal liquide 5 en lingo-
tière est effectuée au moyen d'un tube plongeur 6 pour protéger le jet 7 d'une
réoxydation intempestive à l'air ambiant. La croûte de métal solidifié qui
commence à se former en lingotière est référencée 8. La paroi interne 9 de
cette cro~te est généralement désignée par "front de solidification".
Un inducteur électromagnétique 10 est composé de deux parties dis-
tinctes. Une partie fixe 11, immergée dans la chambre de refroidissement de
la lingotière, s'étend substantiellement sur la plus grande portion de celle-
ci, depuis un niveau correspondant à la position de la surface libre 12 du
métal liquide en lingotière, jusqu'à l'extrémité inférieure de la lingotière.
Une partie amovible 13 est disposée à l'extérieur de la lingotière dans le
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prolongement de la partie fixe 12.
Les deux parties 11 et 13, formant l'inducteur 10, sont constituées
par un empilage régulier de bobines annulaires 14 identiques entre elles et
entourant le produit coulé 8.
Ces bobines sont connectées à une alimentation électrique polyphasée
de manière que les courant circulant dans ces bobines produisent un champ
magnétique penétrant le produit coulé et progressant longitudinalement selon
l'axe de la lingoti~re dans un sens remontant, opposé à celui de l'extraction
du produit coulé représenté sur la figure par la flèche vertical située dans
l'axe du produit. Un tel champ est généralement appelé champ glissant, 1'
inducteur 10 constituant le stator d'un moteur linéaire à induction.
Le métal en fusion introduit par l'orifice du tube plongeur 6 pén-
ètre dans le métal liquide 5 avec une certaine quantité de mouvement et pro-
voque de ce fait la formation d'un courant axial descendant au sein du métal.
Le champ magnétique glissant agit préférentiellement à la périphérie de la
masse liquide, dans une zone adjacente à la croûte solidifiée 8 de fa,con à im-
primer au métal qui se trouve dans cette zone un mouvement remontant, repré-
senté sur la figure par une pluralité de flèches orientées vers le haut. Par
action combinée de ces deux mouvements, il s'établit dans la masse métallique
encore liquide, un courant circulatoire permanent: le métal descendant dans
la zone axiale et remontant dans la zone périphérique. Sous l'action de la
poussée électromagnétique engendrée par le champ, les mouvements périphériques
sont accélérés et au bout d'un certain parcours atteignent une vitesse suffi-
sante pour provoquer un "lavage" efficace du front de solidification 9, en per-
mettant d'éviter un piégeage des inclusions et en remontant ces dernières à la
surface libre 12, où une partie d'entre elles décante naturellement, et les
autres sont réentrainées dans le centre du produit par les courant axiaux de-
scendants, jusqu'à une profondeur, en aval de la partie utile de l'inducteur,
où les effets électromagnétiques n'étant plus sensibles, elles sont facilement
piégées par le front de solidification a cet endroit.
Comme on l'a vu une caractéristique essentielle de l'invention
réside dans le fait que la partie 13 de l'inducteur peut être modifiée dans
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sa longueur utile. Ceci peut être obtenu en disposant de bobines 14, extéri-
eures à la lingotière, qui sont démontables ou simplement déconnectables indi-
viduellement. La fixation des bobines entre elles et avec la base de la
lingotière peut être effectuée par tous moyens appropriés. Dans l'exemple
décrit on les a représentés schématiquement par des couronnes de boulons 15
traversant des brides annulaires 16. Chaque bobine amovible 14 est montée
dans une boite à eau, non représentée,de manière à assurer une température
acceptable par les bobinages. Chaque bobine peut ainsi avoir son propre cir-
cuit de refroidissement. Il est possible toutefois de concevoir un circuit
de refroidissement commun en prévoyant des moyens de communication entre les
différentes boites et éventuellement également avec la chambre de la lingotière.
Ces moyens, dont la réalisation est de la compétence de l'homme de métier,
n'ont pas été représentés pour ne pas surcharger la figure.
Comme on aura déjà pu s'en rendre compte, le dispositif décrit, pour
la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, implique l'existence d'une
limite inférieure des variations permises dans les dimensions longitudinales
de la partie utile de l'inducteur 10 et, partant, de la distance L sur la-
quelle agit le champ magnétique. Cette limit inférieure Lo est définie par la
longueur de la partie fixe 11 et correspond bien entendu au cas d'une utilisa-
tion du dispositif sans bobines additionnelles 14 extérieures à la lingotière
ou de manière équivalente, avec déconnection des bobines 14 de l'alimentation
électrique.
Un tel mode d'utilisation sera effectué de préférence lorsqu'on
voudra obtenir une profondeur d, de localisation des amas d'inclusions, de
valeur relativement faible, généralement entre 1 et 10 millimètres, l'ajuste-
ment de l'action du champ s'effectuant alors uniquement par réglage de 1'
intensité efficace B du champ.
Une variante d'exécution, appropriée à la coulée de produits de
grand format, tel que les brames, est représentée sur la figure 2.
Dans le cas de la coulée continue de produits de grand format et
notament ceux de section allongée tels que les brames, il apparait difficile
de pouvoir disposer d'un inducteur tubulaire du type précédemment décrit
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~,s,
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entourant le produit. Par ailleurs, une telle disposition serait sans grand
interêt car l'action du ch~mp en regard des petites ~aces du produit aurait
peu d'incidence sur le résultat métallurgique recherchc. Comme le montre la
figure 2~ on dispose alors d'une partie fixe 11 de l'inducteur 10 qui est
placee, d.ms la chambre de refroidissement, en regard des parois 1 de la
lingotière en contact avec les grandes faces du produit coulé. Cet.e partie
fixe est constituée par des barres conductrices horizontales 18, disposées
dans encoches 19 perpendiculaires à l'axe de la lingotière, ménagées dans
un empilage de tôles 20 en matériau magnétique formant culasse pour le retour
10 arrière du flux magnétique et régulièrement réparties en regard des grandes
faces du produit coulé. Une description très détalillée d'un mode avantageux
de réalisation pourra être trouvée dans la demande de brevet Canadienne n
261 357, déposée au nom du demandeur. Conformément à la présente variante,
la partie 13 de longueur variable est constituée par des rouleaux de soutien
21 disposés immédiatement en aval de la lingotière, de part et d'autre des
grandes faces du produit coulé et en contact avec ces dernières. Ces rouleaux,
évidés en leur centre, ont un'moyeu central 22 formé d'un empilage de to~les de
préférence amagnétiques présentant des encoches longitudinales 23 dans les-
quelles sont disposés des conducteurs électriques 24. Ce moyeu central 22
peut être fixe ou en rotation autour de l'axe des rouleaux. Dans ce dernier
cas, il est prévu à une extrémité du moyeu, un collecteur non représenté,
assurant un passage sélectif du courant électrique dans les conducteurs 24 de
manière à obtenir en permanence un champ magnétique non stationnaire dans un
plan perpendiculaire à l'axe du produit coulé.
Ces enroulements, de même qu les barres 18 de la partie fixe 11 sont
bien entendu reliés à une alimentation polyphasée de manière appropriée ~ 1'
obtention d'une onde de flux se séplacant de bas en haut dans l'entrefer de
l'inducteur 10. On comprend aisément que les variations désirées de la
longueur utile L de l'inducteur 10 peuvent être effectuées en modifiant le
nombre de rouleaux 21 (ou plus simplement en modifiant le nombre d'enroulements
internes connectés à l'alimentation électrique). Ceux-ci sont maintenus en
position au moyen d'une infrastructure métallique schématiquement représentée
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sous la référence 25, munie de tubes d'aspersion d'eau 26 qui assurent con-
jointement le refroidissement du produit coulé et le refroidissement des con-
ducteurs 24.
Il peut sembler à priori que cette variante de réalisation présente
certains inconvénients liés, d'une part, ~ la différence de conformation entre
les inducteurs de la partie fixe 11 et ceux de la partie amovible 13, et, d'
autre part, à la rupture de continuité de ces deux parties à l'endroit de leur
raccordement.
En fait les expériences ont montré que moyennant certaines pré-
cautions élémentaires visant à uniformiser au mieux les distances de sépara-
tion entre les différents conducteurs de l'inducteur 10, la relation conforme
à l'invention se vérifiait à 15 % près en ce qui concerne la longueur d'action
L.
On va maintenant décrire un exemple d'application numérique dans le
cas de la coulée continue de billettes carrées de 120 mm de côté, effectuée
en utilisant un dispositif conforme à celui représenté sur la figure 1.
La vitesse d'extraction des billettes est en permanence voisine de
2 m. par minute et, compte tenu des conditionc de refroidissement, l'épaisseur
de la croûte solidifiée au voisinage de l'extrémité inférieure de la lingo-
tière est de 12 mm environ.
L'inducteur est alimenté en courant triphasé et les bobines connec-
tées à une phase commune, sont reliées entre elles par paire en série-opposi-
tion. Deux bobines consécutives, connectées à une même phase, sont séparées
l'une de l'autre par deux autres bobines connectées respectivement aux deux
autres phases de l'alimentation. L'inducteur présente ainsi un pas polaire
de 0,24 m. Il a été dimensionné pour fournir, par phase, une intensité maxi-
male de 350 A sans risque d'échauffement intempestif. Une telle intensité
correspond à un champ magnétique de 0,042 Tesla environ au sein du métal
liquide, dans la zone périphérique adjacente au front de solidification.
La fréquence du courant d'alimentation a été fixée à 10 Hz, ce qui,
dans le cas d'espèces décrit, correspond à la valeur optimale.
L'opérateur de coulée désire repousser les amas d'inclusions à une
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`s~
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profondeur d d'environ 8 mm sous la surface des billettes. Conformément à
l'invention, l'action de l'inducteur devra être ajustée de manière que le
produit B L, du carré du champ par la longueur sur laquelle celui-ci agit
soit égal à 6,6 x 10-4 Tesla2 x m ( la conductibilité électrique ~ de l'acier
en fusion est voisine de 6,25 10 5 ~ lx m l).
Si l'on opère en l'absence de la partie inférieure 13 de l'induc-
teur, extérieure à la lingotière, ce qui revient à utiliser un prolongement
extérieur de l'inducteur 10 de longueur utile nulle, l'inducteur présente un
entrefer de longueur Lo égale à deux fois le pas polaire, soit 0,48 m.
Le champ efficace nécessaire est alors de 0,037 Tesla. Lors des
essais effectués en n'utilisant comme induc~eur que la partie fixe 11, de
longueur 0,48 m, des amas d'inclusions localisés à 8 mm de profondeur ont été
obtenus par un champ magnétique efficace de 0,042 Tesla (intensité de courant
de 350 Aeff. par phase).
Des essais ultérieurs ont été effectués en prolongeant inférieure-
ment l'inducteur par trois bobines actives, soit d'une distance de 0,24 m
(correspondant à un pas polaire). Conformément à l'invention, le résultat
métallurgique recherché doit pouvoir 8tre obtenu avec un champ présentant une
intensité efficace de 0,030 Tesla. Les résultats de ces essais ont montré
qu'il était nécessaire d'utiliser un champ de 0,034 Tesla efficace.
L'accord entre la réalité et la relation selon l'invention est
vérifié à 10 %, ce qui est tout à fait convenable.
L'invention peut être appliquée à tout produit métallique coulé
en continu quels que soient sa composition ou son format. L'invention permet
de repousser à volonté les amas d'inclusions non métalliques vers le centre
des produits jusqu'à des profondeurs prédéterminées et choisies par l'opéra-
teur en fonction des traitements métallurgiques ultérieurs, tels que le
laminage, de manière à obtenir à coup sûr une bonne qualité de peau de ces
produits.
