Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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La présente invention concerne le brassage elec-
tromagnetique des brames metalliques, notammen-t d'acler,
coulees en continu. Elle se rapporte plus précisement aux
operations de brassage electromagnetique du metal en fusion
dans la zone du refroidissement secondaire d'une machine de
coulee continue de brames.
Les operations de brassage electromagnetique, dont
il est question ici, consistent, comme il est connu, à
soumettre le produit coule à un ou plusieurs champs magneti-
ques mobiles, glissant dans une direction determinee, etdont l'action sur le metal liquide se manifeste alors par
un entrainement de ce dernier identique, en sens et direc-
tion, au deplacement du champ magnetique.
Dans le cas de produits de section allongee, telle
que les brames, coulees en continu, il est connu d'entraîner
le metal liquide de la fa~on indiquee ci-dessus dans un
mouvement de translation horizontale, parallèle aux grandes
faces du produit.
Le champ magnetique mobile est generalement cree
par un inducteur statique polyphase dispose de preference
au voisinage immediat du produit coule et pouvant presen-
ter differentes conceptions: par exemple un inducteur
monobloc, similaire à un stator de moteur lineaire à
induction, place soit derrière les rouleaux de maintien
et de guidage de la brame en cours de coulee, soit en subs-
-titution d'un ou plusieurs de ces rouleaux (brevet fran~ais
n 2 068 308, brevet allemand n 2 401 1~5), soit encore
dans des espaces rendus disponibles entre deux rouleaux
consecutifs (brevet fran~ais n 2 187 468). Il a ete egale-
ment propose un inducteur de structure cylindrique in-tro-
duit à l'intérieur même d'un ou plusieurs rouleaux, rendus
~'
~2~88~8
tubulaires à cette fin (brevet anglais n 1 405 312).
' L'intérêt du brassage contrôlé du mé-tal liquide
., en cours de coulée, intérêt que l'on connaît maintenant de
longue date, réside dans l'amélioration systématique de la
qualité interne du produit brassé par rapport au produit
. non brassé. Cette qualité améliorée, qui se caractérise en
~ particulier par une réducti.on de la porosité centrale,
- ainsi que par une diminution sensible des macro-ségrégations
: axiales, resulte de l'influence favorable du brassage sur la
structure de solidification. Cette dernière en effet
. reflète, dans le cas de produits brassés, une interruption
precoce de la croissance cristalline périphérique de type
"basaltique" (croissance dendritique) au profit de la forma-
tion et du développement d'une zone centrale ~ structure de
solidification non orientée, dite de type "équiaxe", corré-
lativement plus étendue.
Cependant, bien que la relation de cause à effet
entre une large zone equiaxe et une faible ségrégation
axiale soit désormais indiscutable, les nombreuses obser-
: 20 vations mé-tallographiques effectuées par les inventeurs
montrent que la ségrégation axiale peut quand même demeu-
` rer relativement importante malgre une zone équiaxe bien
développée.
. La question qui se pose alors, et à laquelle la
présente invention a pour but de répondre, consiste à
savoir s'il existe un type de brassage optimal permettant
d'obtenir à coup sûr, conjointement avec une zone équiaxe
centrale tres large, un niveau de macro-ségrégation axiale
le plus faible possible, et en tout cas sensiblement plus
réduit que celui obtenu par la -technique habituelle de
brassage électromagnétique.
' ;
~2~ 7~
Un autre but est de parvenir au résultat précité
avec un minimum d'inducteurs de brassage.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour
objet un procédé de brassage électromagnétique des brames
métalliques, notamment d'acier, coulées en continu, selon
' lequel, dans la partie du puits liquide située en aval de
la lingotiere dans le sens d'extraction de la brame, on
` soumet cette derniere a au moins un champ magnétique
mobile, glissant selon la largeur de la brame et créant
un mouvement d'entrainement du métal liquide, procédé
caractérisé en ce qu'on fait agir une pluralité de champs
magnétiques glissant de açon a brasser le métal liquide
sur la portion de la hauteur métallurgique comprise entre
3 et 4 mètres environ sous la surface libre du métal en
. I lingotière et 3 mètres environ du fond du puits de solidi-
- fication, en ce que lesdits champs magnétiques sont produits
par des inducteurs électromagnétiques qui sont décalés
entre eux le long de la hauteur métallurgique d'une distance
de séparation de 1 à 2 metres environ et en cè que le champ
magnétique créé par un inducteur quelconque glisse dans un
~- sens opposé de celui des champs magnétiques créés par les
. inducteurs décalés les plus proches voisins de part et
d'autre.
On rappelle que le puits de solidification dont
,
la profondeur détermine la "hauteur metallurgique", se
définit comme la distance comprise entre le niveau de la
surface libre du métal en lingotiere et le niveau en aval
de celle-ci dans le sens d'extraction du produit, o~ toute
la section du produit coulé est solidifiée (fermeture du
puits de solidification).
Conformément a une mise en oeuvre particuliere,
~2C~8~17 !3
utilisant un minimum d'inducteurs électromagnétiques, on
disposé ces derniers selon une configuration en quinconce
de part et d'autre des deux grandes faces de la brame.
Conformément à une variante préférée, on place
l'inducteur électromagnétique le plus proche de la lingo-
- ~, tière sur l'extrados de la brame c'est-à-dire en regard
- ~ ~ de la grande face placée à :L'opposé du centre de courbure
de la machine de coulée continue.
Comme on l'aura sans doute déjà compris, l'inven-
tion consiste, dans ses traits fondamentaux, à répartirl'énergie électromagnétique de brassage transmise au métal
coulé sur la majeure partie de la hauteur métallurgique de
manlère à créer des mouvements de convection qui s'établis-
sent dans la quasi-intégralité du puits de solidification.
Ceci étant, il n'est pas nécessaire de brasser
sur toute la hauteur du puits liquide pour les raisons
' suivantes:
. d'une part, il est inutile de faire agir le
champ magnétique au voisinage de l'extrémité de fermeture
du puits de solidification, car en cet endroit le métal est
déjà suffisamment pris en masse pour que l'on ne puisse y
- créer des mouvements de convection et ceci meme avec des
puissances électromagnétiques très importantes,
. d'un autre côté, il n'est pas souhaitable de
brasser trop haut sur la hauteur métallurgique, c'est-à-
dire au voisinage immédiat de la lingotière, car le jet
d'alimentation du métal liquide en lingotière crée naturel-
lement des mouvements de convection favorables qui s'éten-
dent dans le puits liquide jusqu'à une distance égale à
2 ou 3 fois environ la hauteur de la lingo-tière et qu'il
n'es-t pas oppor-tun de perturber. -
~L
Dans ces conditions, on comprend que la portionde la hauteur metallurgique devant être soumise à un
brassage electromagnetique conformement à l'invention, se
situe entre une limite superieure, à environ 3 à 4 mètres
sous la surface libre du metal en lingotière, et une limite
inferieure que l'on peut sit:uer environ a 2 ou 3 mètres du
point de fermeture du puits de solidification.
Pour determiner maintenant la localisation des
inducteurs assurant un tel brassage, il faut tenir compte,
en outre, du fait que l'act:ion directe d'entrainement du
champ magnetique à un niveau quelconque de la hauteur
métallurgique induit des mouvements de recirculation du
métal liquide (entrainement indirect) assurant le bouclage
des lignes de courant, et qui s'epanouissent de part et
d'autre de la zone d'entrainement direct jusqu'à une dis-
tance d'environ 2 ~ 3 mètres de cette dernière.
Compte tenu de ces precisions, on localise l'ac-
tion du champ magnétique le plus voisin de la lingotière
à environ 5 à 7 mètres sous la surface libre du métal
liquide, et on localise l'action~du dernier champ magnéti-
que au voisinage du fond du puits de solidification, à une
distance d'environ 4 à 5 mètres au-dessus dudit fond.
Bien entendu, la distance moyenne séparant une
zone d'entrainement direct d'une zone de recirculation
dépend au premier chef de la force electromagnetique à
laquelle est soumise le metal liquide, c'est-~-dire essen-
tiellement de l'intensite du champ magnetique agissant sur
le metal, puisque la vitesse de glissement du champ (i.e.
frequence du courant electrique dans l'inducteur) est
nécessairement faible, autour de 1 à 5 Hz environ, pour
limiter l'affaiblissement du champ entre la surface active
~Z~8~7~
- de l'inducteur et le métal liquide.
On peut dire toutefois que, compte tenu de la
technologie dont on dispose actuellement, les inducteurs
électromagnétiques compatibles avec une installation de
coulée continue de brames dans des conditions d'exploita-
tion normale permettent de délivrer des champs magnétiques
suffisamment puissants pour que l'écart entre la zone
d'entrainement direct du metal liquide et la zone de recir-
culation se situe autour de 2 mètres environ, voire au-delà.
Il peut être utile de preciser que l'on parvient
. aisement à detecter les niveaux sur la hauteur metallurgique
; où se situent les zones de recirculation. Celles-ci apparais-
sent en effet à l'observation metallographique, sur coupe
en section droite de la barre solidifiee, sous forme de cou-
ronnes plus claires que le reste de la matrice métallique
(appelee egalement zones de segregation negative ou "zone
: blanche"), et dont la clarté est sensiblement plus estompée
que celle des couronnes de ségrégation negative principale,
qui se forment, elles, au niveau de l'entrainement direct du
champ magnetique glissant. La profondeur à laquelle sont
localisées ces différentes zones de ségrégation négative
dans le produi-t par rapport à sa surface dépend des condi-
tions locales d'exploitation de la machine de coulée et
notamment de la surchauffe initiale du métal alimen-tant la
lingotière, de la vitesse d'extraction de la brame et de
la vitesse de solidification du produit c'est-à-dire du
réglage du système de refroidissement. La connaissance de
ces différents paramètres permet donc de relier facilement
la profondeur de localisation des zones de ségrégation
negative aux niveaux sur la hauteur metallurgique où
interviennent les mouvements de circulation directs et de
878
recirculation du métal liquide sous l'action des champs
magnétiques.
Il doit etre souligné que ces memes paramètres
permettent d'approcher assez finement, dans chaque cas,
- ~ les niveaux limites supérieur et inférieur définissant la
portion de la hauteur méta]lurgique soumise au brassage
r ' ' conformément à l'invention. A titre indicatif, on pourra
~; noter qu'en ce qui concerne par exemple la vitesse d'ex-
~ traction des brames, celle-ci peut aller d'environ
.. ~
0,7 mètre/minute à plus de 3 mètres/minute, c'est-à-dire
; varier dans un rapport de 1 à 5 entre des installations
~- différentes, ou coulant des nuances d'acier différentes.
~- On va maintenant décrire, à titre illustratif,
une configuration caractéristique du procédé selon l'in-
vention utilisant un nombre mlnlmll~ d'inducteurs de bras-
sage et adaptée à la coulée continue de brames à faible
vitesse d'extraction (0,7 mètre/minute) et dont le puits
liquide présente une hauteur métallurgique réduite à envi-
ron 12 mètres.
La description de cet exemple sera faite en réfé-
rence aux planches de figures annexées sur lesquelles:
. la figure 1 montre une brame coulée en continu
selon une vue en coupe longitudinale médiane parallèle aux
grandes faces de la brame;
` . la flgure 2 est une vue analogue a celle de la
figure 1 mais selon une coupe parallèle aux petites faces
latérales de la brame;
. la figure 3 est une empreinte Baumann de la
partie centrale d'une section droite de la brame solidifiée.
On a schématisé sur les figures 1 et 2, une
lingotière 1, une busette 2 alimentant la lingotiere en
~2~)887~
metal liquide, la brame 3 en cours de coulee et présentant
une couche extérieure solidifiee 4 et un coeur a l'etat
liquide 5. La ligne tracee en 6 définit la fermeture du
puits de solidification par jonction des fronts de solidi-
fication croissants sur les grandes faces du produit. La
hauteur metallurgique "H", c'est-a-dire la distance sepa-
rant la surface du metal liquide 7 en lingotière de la
fermeture 6 du puits de solidification, peut être lue direc-
tement en mètres sur la figure 1 grace aux repères places
- , ~
/ 10 sur la petite face de gauche de la brame. Sur les figures,
- ~ les regions d'action directe des champs magnetiques glis-
- sants ont été représentées par les deux zones hachurées 9
. '''- ',
et 10. Ces zones, comme on l'a deja dit, definissent les
` regions d'entraînement direct du metal liquide dont les
lignes de courant ont ete représentées par les boucles 13
en traits épais sur la figure 1. Les sens de glissement
des champs magnétiques agissant selon la largeur de la
brame sont indiqués par des flèches sur la gauche des zones
d'entrainement direct 9 et 10 de la figure 1 et par les
symboles conventionnels sur la figure 2.
: La mise en oeuvre de l'invention ne pose aucun
problème particulier et on pourra avantageusement utiliser,
ainsi que le montre tres schématiquement la figure 2, des
inducteurs électromagnétiques a champ glissant de structure
, cylindrique, placés à l'intérieur des rouleaux de soutien
et de guidage de la brame coulée rendus tubulaires à cette
fin. L'ensemble ainsi constitué par le rouleau et llinduc-
~ teur interne est un ensemble fonctionnel, livre prêt a
; l'emploi, et habituellement designé dans le domaine techni-
que considéré par l'expression "rouleau-brasseur". Ces
rouleaux--brasseurs, ne faisant pas partie de l'objet propre
~2(~t81~17l~
de l'invention, ne seront pas ici decri-ts en detail. Si on
le souhaite, on pourra trouver une description detaillee
de leur conception et de leur technologie en sç reportan-t
au brevet anglais n 1 405 312-IRSID (publie le 10 Septembre 1975).
Pour ne pas surcharger inutilemen-t les figures,
ces rouleaux-brasseurs n'ont pas ete representes sur la
figure 1. Sur la figure 2, seul les rouleaux-brasseurs 11,
et 12, 12' ont ete illustres ~ llexclusion de tous les
- autres rouleaux ordinaires qui jalonnent normalement en
rangs serres les grandes faces de la brame.
La configuration minimale representative de la
repartition de llaction du champ magnetique sur la hauteur
metallurgique, conformement a l'invention, se caracterise
ici, comme on le voit, par la mise en place d'une première
paire de rouleaux-brasseurs 11, ll'sur l'extrados de la
brame, en aval de la lingotière, à une distance moyenne de
6 mètres de la surface libre 7 du mëtal coule, et une
seconde paire de rouleaux 12, 12l decalee vers le bas par
rapport à la paire 11, 11l dlune distance moyenne de
1,50 mètre. Par ailleurs, le sens de glissement du champ
magnetique creé par la paire 11, 11l est à llopposé de celui
crée par la paire 12, 12l.
Dans ces conditions, le brassage electromagnetique
provoque par les champs glissants agissant sur les deux
niveaux 9 et 10 decales en hauteur cree au sein du metal
liquide un mouvement de convection forcee sous forme de
triple "0" ou~, si llon prefere, "d'ailes de papillon", qui
se developpe sur la majeure portion de la hauteur metallur-
gique, clest-à-dire sur la portion comprise entre le niveau
limi-te supérieur et la cote ~,5 metres environ et le niveau
~8B78
limite inférieur voisin de la cote 10 mètres. Plus précisé-
ment ce mouvement en "ailes de papillon" comprend, comme on
` le voit, un corps central 13 à circulation relativement
intense car elle est générée par l'effet conjugué des deux
` ~ zones d'entraînement direct 9 et 10 et, de part et d'autre
de ce corps central 13, des régions de recirculation 14,
- ~ 15, qui s'épanouissent respectivement vers le haut et vers
le bas jusqu'aux niveaux, sur la hauteur métallurgique, de
3,5 metres et 10 metres environ.
Les analyses métallographiques effectuées montrent
que les brames coulées et brassées en continu de la maniere
qui vient d'etre décrite, présentent une très large zone de
solidification équiaxe qui s'initie déjà à une profondeur
de peau correspondant au niveau, sur la hauteur métallur-
~ique, de 3,5 mètres environ. Par ailleurs, ces analyses
montrent également que le coeur des brames est pratiquement
exempt de phénomènes de macro-ségrégation. Ces résultats
peuvent être vus directement sur la figure 3 où l'on a
représenté en 16 l'axe de la brame, (lequel se confond
d'ailleurs avec l'axe de coulée) et où l'on a désigné en
17 la large zone de solidification équiaxe bordée de part
et d'autre par une grange 18 de solidification basaltique
orientée, assez difficilement discernable sur cette repro-
, duction d'un tirage photographique. On voit cependant
clairement sur cette dernière, au sein de la phase équiaxe
17 les deux cernes clairs concentriques 19 et 20 a distance
rapprochée l'un de l'autre et caractérisant les zones de
ségrégation négative formées par l'action de brassage dans
les régions d'entrainement direct 9 e-t 10. On distingue
également, autour et à distance de ces cernes, une autre
couronne :21 de ségrégation négative, de contraste beaucoup
71~
plus atténué, et traduisant a cet endroit la présence de
la région de recirculation supérieure référencée 1~ sur
la figure 1. Il est a noter que la couronne de ségréga
tion négative correspondant a la région de recirculation
basse 15 n'est pas observable sur la coupe métallographi-
que, car on se situe a ce niveau dans une région où la
proportion de solide dans le liquide est très importante
et forme donc un squelette rigide et où, par conséquent,
le balayage du front de sol:idification par les mouvements
de convection forcée du métal liquide, responsable de la
formation de zone de segregation negative, n'opère plus a
cet egard de façon significative.
Il va de soi que l'invention ne saurait se
limiter à l'exemple decrit et s'etend a de nombreuses
variantes et equivalents dans la mesure où sont respectees
les caracteristiques enoncees dans les revendications
jointes.
Il en est ainsi notamment du nombre de champs
magnetiques glissants, c'est-a-dire du nombre de zones
d'entrainement direct qui s'etagent sur la hauteur metallur-
gique, à condition toutefois que le sens de glissement des
champs s'inverse entre deux zones d'entraînement direc-ts
consecutives.
De meme la disposition en quinconce des inducteurs
de brassage definissant les zones d'entrainement direct se
justifie dans le cas où le nombre d'inducteurs disponibles
est limite. Si non, il est tout à fait possible de coupler
les inducteurs les uns en regard des autres au niveau des
zones d'entralnement direct, l'important dans ce cas étant
bien entendu que les champs magnetiques crees par les
inducteurs apparies au niveau d'une zone d'entrainement
11
~2~ 78
direct déterminée glissent dans le même sens.
De même, le fait que les zones d'entrainement
direct 9 et 10 sont créées chacune par un jumelage de
deux inducteurs électromagnétiques 11, 11' et 12, 12', ne
saurait en aucun cas constituer une limite de la présente
invention. Ces dispositions ne s'expliquent en effet que
par la volonté de travailler au cours des essais avec des
puissances électromagnétiques de 1'ordre de 250 KVA pour
chaque zone d'entrainement direct, alors que la puissance
nominale des inducteurs disponibles s'élevait à l25 KVA.
Dans ces conditions, on considerera, pour l'in-
telligence de l'invention, que les unités inductrices jume-
lees sur une même face de la brame telles que 11, 11' au 12,
12' et/ou appariees au même niveau sur les deux faces oppo-
sees, constituent un seul et même inducteur, car elles sont
destinees à produire une seule et même zone d'entralnement
direct du metal liquide. En particulier le sens de glisse-
ment du champ magnetique est uni~orme pour ces unites
inductrices.
!
' ~,
12
