Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
~lZ~3~7~
La présente invention concerne un procédé de cou-
lée de métaux dans lequel on fait agir des champs magnéti-
ques en vue dlaméliorer la structure et l'état de surface
des produits obtenus et un dispositif y relatif
Il est connu de couler des métaux tels que llacier,
llaluminium et ses alliages, sous forme de billettes, de
plaques ou de lingots, soit par moulage, soit par coulee
continue verticale.
Dans le premier cas, on remplit le moule d'une
quantite connue de metal liquide et assure la solidification
à llintérieur du moule par échange thermique avec la paroi
de ce dernier.
Dans le deuxieme cas, on verse le métal en fusion
dans un moule ayant généralement un axe de symétrie verti-
cal, ouvert a ses deux e~trémités et dont les parois laté-
rales sont refroidies par un fluide. Au contact du moule,
le métal se solidifie pour former une croûte qui slépaissit
graduellement a mesure que le lingot progresse à travers le
moule de sorte qulà llextremite inférieure du moule son
~paisseur est suffisante pour retenir la partie centrale
encore liquide. Apr~s avoir quitté le moule, la paroi du
lingot est refroidie directement par une projection dleau
et on obtient ainsi assez rapidement une solidification
complète de la masse métallique.
Dans les deux procédés, le lingot obtenu est très
hétérogène car il présente a la fois une zone corticale
qui slest formée par solidification rapide au contact du
moule, et une zone centrale résultant dlun refroidissement
plus lent par échange avec la paroi du moule ou avec l'eau
au travers de la zone corticale. Ces zones ayant cristalli-
sé à des vitesses différentes, nlont pas du tout la même
structure ni la même composition. De plus, la peau du lin-
got qui slest formée au contact du moule est généralement
irréguliere. Aussi, est on obligé le plus souvent de sou-
-- 1 --
~Z~3~7~
vent de soumettre ces lingots ~ des opérations supplémen-
taires de scalpage ou d'écroû-tage pour eliminer les zones
perturbées et éviter ainsi liapparition de défauts qui en
résulteraient au cour des stades de transformation ulté-
rieurs du lingot.
C'est pourquoi l'homme de l'art, dans le but no-
tamment d'améliorer la qualité des produits fabriqués par
coulée, a cherché des solu-tions pour résoudre ces problè-
mes d'hétérogénéi-té de surface e~ de structure. Il s'est
tourné le plus souvent vers l'utilisation de champs magné-
tiques destinés à agiter la partie liquide du lingot en
cours de formation, et, plus particulièrement, vers des
champs tournants.
C'est ainsi que, dans le brevet US 2.963.758, on
revendique un procédé pour diminuer le développement de
grains basaltiques, et qui consiste à soumettre le métal
en fusion à un champ magnétique dans la direction de gra-
dient thermique de refroidissement du lingot et à déplacer
ledit champ en continu dans une direction sensiblement per-
pendiculaire à la direction dudit gradient. L'obtention
de ce champ nécessite la mise en place d'un stator à six
pôles, relié à une source de courant électrique multiphase.
D'o~ une installation assez compliquée et dont l'efficacité
se limite à la taille des gralns.
Dans le brevet US 3.153.820, l'invention concer-
ne un appareil pour améliorer la structure et l'homogénéité
physique et chimique du métal coulé en controlant le phé-
nomène de solidification. Cet appareil comprend, en combi-
~ naison, une pluralité d'agi-tateurs externes fonctionnant
de façon indépendante, parmi lesquels on trouve des électro-
aimants et des transducteurs électromécaniques de vibration
disposés à l'extérieur de la masse de métal, régulièrement
espacés et placés près de la zone de refroidissement du
métal, lesdits agitateurs produisant une pluralité de
- 2 -
~2~3~7~
de champs de forces d'agitation concentrés à l'intérieur
du métal. Un tel appareil incluant plusieurs types d'appa-
reils d'une conception assez complexe, bien qu'il réduise
les phénomènes de ségrégation ~ l'intérieur du métal,
ne résoud pas les problèmes d'état de surface.
C'est pourquoi, la demanderesse, soucieuse
d'améliorer la technique de coulée en vue d'obtenir
à la fois des structures plus homogènes, et des états
de surface s'accommodant directement aux opérations
ultérieures de transformation dimensionnelle sans passer
par une phase d'écroutage, a cherché et mis au point
un procédé mettant en oeuvre un matériel simple mais
utilisé dans des conditions telles que l'efficacité
en est exacerbée.
Selon la présente invention, il est prévu un
procédé de coulée de métaux dans lequel on fait agir
sur le métal en cours de solidification dans une lingo-
tière, simultanément un champ magnétique stationnaire
et un champ magnétique périodique afin de créer des
vibrations radiales et d'affiner ainsi le grain du métal,
caracterisé en ce que le champ variable est périodique
uniquement dans le temps, que sa direction est fixe
dans le temps et qu'il est colinéaire avec le champ
stationnaire et l'axe de symétrie vertical de la lingo-
tière.
Selon la présente invention il est égalementprévu un dispositif de coulee de métaux, comprenant
un moule refroidi par une ci.rculation d'eau, moule au
moyen duquel on forme, à partir d'un métal liquide,
un lingot, dispositif comprenant:
- des premiers moyens pour créer un champ
stationnaire,
- des deuxièmes moyens pour créer un champ
variable, l'action combinée de ces deux champs créant
des vibrations à l'intérieur du métal liquide.
--3--
~ .
~3~7C~
Le champ magnétique uniforme peut ê~re créé
par au moins une bobine alimentée en courant continu.
Cette bobine peut etre constituée par un fil électrique
enroulé sur un cadre dont la section par un plan horizon-
tal a un contour semblable à celui de la section supérieuredu moule et elle est placée au-dessus du moule.
Sous l'action du courant continu, cette bobine
crée un champ uniforme de direction générale paral-
lèle à l'axe de symétrie du moule, c'est-à-dire sensible-
ment verticale et orientée indifféremment vers le basou vers le
/
-3a-
` ` ~i
30~
haut. Les lignes de ce champ ~euvent être modifiées en incor-
porant à l'interieur de la bobine un noyau de fer qui épouse
son contour tout en laissant en son centre un espace suffi-
sant pour l'alimentation en métal liquide du moule.
Le champ magnétique variablepeut être creé par un in-
ducteur annulaire de géométrie voisine, mais alimenté en
courant périodique de fréquence N. Cet inducteur peut être placé
au-dessus du moule, soit au-dessous de la bobine alimentée
en courant continu, soit entre cette dernière et le moule.
Il peut encore être mis au niveau du moule. Dans ce dernier
cas, lorsqu'il ~ a deux bobines alimentées en courant con-
tinu, il est situé entre elles. Sous l'action du courant
périodique, l'inducteur crée un champ variable colinéaire
avec le champ stationnaire qui produit dans le métal un
courant induit. Le vecteur densité est situe dans un plan
généraleme~t horizontal et dirigé perpendiculairement a
une droite de ce plan passant par l'axe du moule. L'ensem-
ble de ces vecteurs forme donc des cercles concentriques.
L'action combinee de ces champs colinéaires gé-
2~ nère dans le métal des vibrations qui ont une origine double.
D'une part, le champ stationnaire et le courant développent
une ~orce perpendiculaire au plan constitué par le vecteur
densite de courant et le vecteur direction du champ station-
naire. Cette force est donc contenue dans un plan horizon-
tal et dirigée vers l'axe du moule. Cette force a une in-
tensité qui varie périodiquement avec la même fréquence N
que le champ variable et provoque donc des vibrations dans
le métal.
D'autre part, en raison de l'interaction du champ
variable et du courant induit tous deux de fréquence N, se
développe une autre force radiale, elle aussi variable,
mais dont la fréquence est 2 N. Ainsi, le métal est soumis
à deux forces radiales de frequence N et 2 N d'où resulte
une mise en vibrations generalisée de la masse de metal
liquide.
-- 4
!` `'
3~70
Par suite de certains defauts de ~éométrie du
système, on peut avoir des effets de bord plus ou moins
importants, d'où résultent des vibrations verticales, mais
ces dernières ont relativement peu d'importance par rapport
aux vibrations radiales.
Le courant périodique qui alimente l'inducteur à
champ variable peut avoir une forme purement sinusoldale,
mais tout autre forme convient également a la realisation
de l'invention.
Quant à la fréquence, elle peut couvrir toute une
gamme de valeurs allant de 5 à 100 000 hertz. Toutefois,
il y a lieu de faire une distinction entre les fréquences
dites basses situees entre 5 et 100 Hert~ et les frequences
supérieures, dites moyennes.
Dans le premier cas, l'effet dit de peau du
champ variable est reduit, c'est-à-dire que le courant in-
duit exerce son action sur une epaisseur de metal telle qu'il
y a interaction suffisante de ce courant avec le champ sta-
tionnaire pour developper des vibrations dans toute la masse
de metal. On dit alors qu'on travaille en vibrations forcees.
Par contre, à mesure que la frequence du champ variable au~-
mellte, l'effet de peau devient important et l'interaction
clu courant induit avec le champ stationnaire devient de plus
en plus Eaible. Il faut alors que les vibra-tions émises,
2S pour avoir une efficacité convenable, puissent entrer en
resonance avec les vibrations propres du mëtal liquide, des
dendrites en cours de formation ou de la masse solide. Or,
ces vibrations propres dépendent du ~ormat du produit coulé,
de la vitesse de coulee, de la nature du métal, et des condi-
tions de refroidissement. Il faudra donc choisir la fréquen-
ce du courant en fonction des conditions opératoires, ce qui
peut etre deduit du calcul ou de mesures faites à l'aide de
capteurs adéquats.
Il est certain que, dans le cas des basses fré-
-- 5
3~70
quences, la technologie et le mode opératoire son-t plus
simples et que les nuisances resultant du bruit dû aux
vibrations sont relativement faibles.
Dans une variante du procédé appliqué notamment
à la coulée continue d'acier, il est intéressant de créer
des champs magnétiques stationnaire et variable au moyen
d'une série de bobines et d'inducteurs qui se succèdent
alternativement tout au long de la partie du métal en cours
cle solidification. En effet, dans ce cas, ce-tte partie du
lingot peut être relativement longue et l'efficacite des
champs est alors obtenue en mul-tipliant le nombre de bobines
et d'inducteurs.
Pour accroltre encore cette efficacité, il est
préferable, lorsque le champ variable a une frequence infe-
rieure à 100 hertz d'alimenter les inducteurs sous une fre-
quence décroissante à mesure que la solidification proyresse.
On atténue ainsi d'autant l'effet de peau et permet de deve-
lopper les vibrations au coeur du lingot. On peut avoir par
exemple au niveau du moule un inducteur alimente en 50 hertz
puis en-dessous, et separes chaque fois par une bobine à
courant continu, une serie d'inducteurs alimentes successive-
ment en 20, 10, et 5 hertz par exemple.
La présente invention sera mieux comprise en se
réferant au dessin annexé sur lequel la figure 1 représente
une coupe vexticale passant par l'a~e d'un moule de coulée
continue auquel on applique un champ variable et un champ
uni~orme suivant l'invention.
La figure 2 est une vue de dessus du métal dans le moule.
Sur la figure 1, on distingue un moule 1 refroidi
par une circulation d'eau 2 au moyen duquel on forme, à
partir d'un métal liquide 3, un lingot ~. Suivant l'inven-
tion, le moule a éte equipé sur le dessus d'une ~obine 5
qui crée un champ stationnaire dont les lignes de force peu-
vent etre modifiées par le noyau 6. Au niveau du moule est
-- 6
~Z~3~:D7~
` place un inducteur 7 qui cree un champ variable. Sous
l'action combinee des champs, se développe dans le liquide
des vibrations dont le sens de propagation est reprësente
par les fleches 8.
Sur la figure 2, on voit le dessin du metal li-
quide vibrant suivant les directions 8.
L'invention peut être illustree a l'aide de
l'exemple non limitatif qui suit.
On a coule en continu un alliage d'aluminium du
type 202~ prealablement affine par ajout de 0,1~ en poids
D'AT5B sous forme d'une plaque de section 300 x 800 mm.
La premiere partie a ete realisee dans une lingo-
tière classique, puis on a continue la coulee dans les
mêmes conditions de vitesse et de refroidissement, mais en
appliquant à proximite de la surface libre du metal, d'une
part, un champ magnetique stationnaire de 0,04 tesla, crée
au moyen d'une bobine annulaire alimentee par un courant
continu de 17 500 ampere-tours, sous une tension de 24
volts, d'autre part, un champ magnetique variable de fre-
quence 50 hertz, crée au moyen d'une bobine annulaire placée
en-dessous de la précédente, et au niveau du moule e-t alimen-
tee par un courant alternatif de 3800 ampere-tours sous une
tension de 75 volts.
A l'examen micrographique de surfaces d'echantil-
lons préleves dans les deux parties de la plaque, on a
constaté que le nombre de grains était huit fois plus grand
quand on appliquait le procéde selon l'invention.
De plus, les defauts de surface tels que arrache-
ment, peau d'oxyde, qui apparaissent sur la premiere partie
avaient pratiquement disparu sur la deuxieme.
L'inven~ion trouve son application dans tous les
cas ou on cherche a ameliorer la structure et l'état de
surface des produits moulés ou coules en continu, et notam-
ment dans l'industrie de l'aluminium.
