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PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA MA¿TRISE DES ECOULEMENTS DANS UNE LINGOTIERE DE
COULEE CONTINUE DE BRAMES
L'invention a trait à Ia coulée continue des métaux, de (acier en particulier,
sous forme de brames, ou de tout autre produit plat allongé analogue.
Elle concerne plus précisément l'amélioration de la qualité des produits
coulés
par üne maîtrise de la configuration des mouvements de convection du métal
coulé au
sein de la lingotière.
l0 Il est définitivement admis de nos jours, sans toutefois être déjà capable
de
décrire le lien de causalité, que la manière dont s'organisent les mouvements
de
convection du métal en fusion en lingotière est un facteur déterminant sur la
qualité des
produits obtenus, tant pour ce qui concerne la formation d'une première peau
de
solidification bien homogène et régulière sur le pourtour de la lingotière,
qu'à l'égard de
la propreté superficielle et sous cutanée (incrustations de laitier, piqûres,
boursouflures,
ou niveau de propreté inclusionrzaire interne).
On sait de même l'importance que prend à cet égard le développement, dès
leur encrée dans l' espace de coulée, des flux de métal liquide arrivant en
lingotière par les
ouïes de sortie latérales de la busette immergée qui alimente le systéme en
métal à coulër.
On citera à cet égard, parmi d'autres, l'article de P.H. Dauby, M.B. Assar et
G.D. Lawson "voyage dans une li~gotiè~~e de coulée continue. Mesm~es lase~~ et
élect~o~nag~ëtiques de l'hydf~odyoamique de l'acieo" paru dans la Revue de
Métallurgie,
avril 2001; Vol. 4, p. 353-356, et la publication faite par D. Gotthelf, P.
Andrzejewski, E.
Julius et H. Haubrich "Mold flow monitor~ing-a tool to inzp~~ove caste~~
opeoatio~" à la Sème
Conférence Européenne sur la Coulée Continue à Madrid (Esp.) en 1998, p. 825-
833.
Comme le soulignent avec justesse ces documents, il y a globalement crois
types d'ëcouleiment d'acier liquide au niveau de la lingotière: la co~guration
"simple
boucle" et la configuration "double boucle" qui sont des modes stables, et un
écoulement
de type aléatoire, instable, propre aux régimes transitoires dans l'opération
de coulée.
Ce dernier peut se décrire schématiquement comme une alternance erratique
de modes "simple boucle" et "double boucle" provenant de dissymétries
momentanées et
incontrôlables des écoulements encre les deux demi-espaces de coulée de part
et d'autre
de la busette dues notamment à des perturbations, même minimes en énergie, au
niveau
des ouïes de sorties de la busette, comme par exemple des variations
différentielles dans
le débit d'argon anti-bouchage entre les deux ouïes.
Par contre, les deux modes d'écoulement stables précités sont eux plus
explicites. Ils sont illustrés sur les figures lA et 1B jointes à la fin de ce
mémoire. Ces
f gares monir ent f alltu e stabilisée des tr aj ectoires des courants
principaux dans un plan
vertical passant par Taxe de coulée et parallèle aux deux grandes faces d'une
lingotière de
coulée continue de brames. Le mode "simple boucle" (fig. lA) se traduit
essentiellement,
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comme on le voit, par le fait que les jets de mëtal I se dirigent dès leur
sortie des ouïes 2
de la busette 3 plutôt vers le haut en direction de la surface libre (ou
mënisque) 4 du mëtal
coulé en lingotière. A ce niveau, ils parcourent la largeur du demi-espace de
coulëe dans
léquel chacun se dëveloppe en longeant les grandes faces de la lingotière
jusqu'à atteindre
les petites faces d'exirëmité 5. On rappelle au besoin que ces petites faces,
dites ëgalement
"faces de fermeiuxe" sont montées au droit à (extrémité des grandes faces afin
d'assurer la
continuitë de la périphérie intërieure de la lingoüère et donc fëtanchéitë de
(espace de
coulëe. Parvenus à la petite face, chaque jet 1 est alors globalement réfléchi
vers le bas
dans le sens de (extraction du produit coulë représenté par la flèche
verticale épaisse au
lo milieu de la figure. Bien entendu, la cartographie précise des vitesses est
bien plus
complexe. Beaucoup des lignes de courant, telles que 6, empruntent des
trajectoires plus
typiquement paraboliques en raison du mouvement d'ensemble d'extraction vers
le bas,
mais schëmatiquement c'est bien cette forme gënérale en source jaillissante
vers le haut
qui frappe le regard quand on observe le mode "simple boucle" dans un
simulateur ou sur
maquette.
En revanche, selon le mode "double boucle" (fig. 1B), chaque jet 1, arrivant
en lingoüère par la busette 3, sort des ouïes 2 à (horizontale dans son
ensemble et se
propage ainsi vers les petites faces 5 où tout se passe cornlne si (impact
partageait le jet
en deux courants, iin courant principal 8 rëflëchi vers le bas et un courant
secondaire 7
2o rëflëchi vers lé haut en direction du ménisque 4, et à ce niveau va
parcourir alors le demi-
espace de coulëe dans le sens contraire cette fois, de la petite face 5 vers
la busette 3. Là-
aussi, la cartographie rëelle est bien plus complexe, mais c'est bien cette
image globale en
"ailes de papillon" qui marque (observateur face à fëcran d'un modëlisateur ou
devant
une maquette fonctionnant en mode "double boucle". _
Le progrès des connaissances et le cumul de (expérience permettent
aujourd'hui de savoir assez bien quand et comment, en fonction des paramètres
de coulëe
pertinents, s'ëtablissent de manière stable ou quasi-stable fun ou (autre des
deux modes
d'ëcoulement prémentionnés. Sans encrer dans les détails, ce qui serait
d'ailleurs inutile et
surabondant pour la comprëhension de (invention, on peut dire simplement que
plus on
3o coule des brames de grande largeur, de même, plus on coule à vitesse
d'extraction faible,
plus on se situe dans le domaine de la configuration "simple boucle", et
inversement pour
ce qui concerne Ia configuration "double boucle".
II faut dire que (exploitant de la machine de coulëe continue n'a en gënëral
pas à disposition les moyens de connaître le mode d'ëcoulement stable du mëtal
au sein de
sa lingotière. D'ailleurs, le plus souvent, il faut reconnaitre qu'il ne s'en
soucie guère,
puisque de toute façon, il ne saurait ni ne pourrait intervenir sur le format
coulé ou sur la
vitesse d'extraction, lesquels sont imposës par le carnet de commande et le
flux de
matière au sein de l'usine.
Il se trouve pourtant que les récents travaux du demandeur ont confirmé,
4o sinon dëmoniré féxistence de liens de causalité explicites encre les
dëfauts des produits
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,. ., u .x . ..:,::7. ,#.A~ yn "~ t.
3 '
issus de la coulée d'un côté (versus la disparition de ces dëfauts) et de
l'autre la
configuration , des mouvements de cônvection du métal liquide en lingotière.
Ainsi i.l se
trouve que non seulement les écoulements de type instable seraient.à l'origine
des~défauts
de qualité. observés, ce dont on pouvait se.douter, mais également la
configuration stable en
mode "simple boucle".
Aussi, là présente invention a-t-elle pour but d'offrir à l'exploitant, de la
coulée
continue de, brames un outil simple et~ performant, rajouté à sa machine sans
avoir à
reconsidérer sa conception, pour lui permettre d'être assurément en mode
"double boucle"
sans modifier en rien le réglage des paramètres de Ia coulée.
Avec cet objectif en vue, l'invention a pour objet un procédé pour la maîtrise
de
la configuration des écoulement du métal coulé dans une lingotière de coulée
continue de
brames métalliques ou autre produit plat analogue, notamment en acier, à raide
d'une
busette immergée dotëe d'ouies de sorties latérales tournées en regard des
petites faces de la
lingotiëre, ladite configuration pouvant être én mode "simple boucle" ou
"double boucle"
I5 ou "instable", procédé caractérisé en ce que fon met, en oeuvre au niveau
des ouïes de la
busette immergée des champs magnétiques glissants horizontalement vers
l'extérieur, dans
le sens allant de la busette vers chaque petite face, au moyen d'inducteurs .
électromagnétiques linéaires polyphasés disposés en regard d'au moins une
grande face~de
la lingotière de part et d'autre de la busette et on fait âgir les champs
magnétiques glissants
pendant toute l'opëration de coulëe de manière à installer une configuration
permanente
stabilisée en mode."double boucle".
Selon une autre mise en ouvre, on fait agir les champs magnétiques glissants
uniquement si la configuration des mouvements n'est pas naturellement déjà en
mode
"double boule".
L'invention, a également pour objet une installation pour la mise en ouvre du
procédé selon ladite variante de réalisation préférée comprenant au moins une
paire
. d'inducteurs électromagnétiques linéaires à champ magnétique glissant,
montés en regard
d'au moins une grande face de la lingotière et orientés de manière à produire
un champ
~FÉt~ILLö M~'E?IFI~~É'~:
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magnétique glissant horizontalement, et une alimentation électrique polyphasée
commandée connectée en permanence audits inducteurs pour leur faire produire
chacun
un champ magnétique glissant dirigé uniquement vers fextërieur dans un sens
allant de la
burette vers une petite face dé la lingotière, lesdits champs agissant sur les
flux de métal
liquide arnvant en lingotiëre par les ouïes de la burette immergée.
Comme on l'aura sans doute déjà compris, l'invention fait un usage d'un
moyen bien connu et, si l'on peut dire, disponible de longue date dans le
commerce, le
champ magnétique mobile produit par un inducteur linéaire statique polyphasé,
pour agir
dynamiquement sur le métal liquide au sein de la lingotière afin d'instaurer
un mode
d'écoulement en "double boucle", ou de le stabiliser s'il est déjà
naturellement présent.
Les premiëres applications de la magnétohydrodynamique (ou MHD) à la
coulée continue des métaux datent maintenant de près de trente ans ét leur
succès ne s'est
jamais démenti jusqu'ici: Au contraire, des progrês continus jalonnent son
histoire. Les
premières descriptions concernaient les étages de la~machine de coulée~sous la
lingotiëre,
en particulier la zone de refroidissement seéondaire en raison de l'absence
d'efFet d'écran
magnétique qu'opposerait sinon les parois en cuivre de la lingotière. Mais,
bien vite, sont
apparues des alimentations en courant électrique polyphasées à thyristors qui
ont permis
de travailler avec des fréquences de courant excitateur basses, disôns
inférieures à lOh~,
de sorte que, compte tenu des puissances , disponibles, l'effet d'écran
résiduel que
pouvaient encore opposer les parois de cuivre ne représëntait plus un obstacle
à
l'application de la MHD au sein de la lingotière elle-même.
Des applications en lingotière multiples, et variées lui sont ainsi confiées
qui
vont, pour schématiser, de la simple mise en mouvèment du métal, en rotation
autour de
l'axe dé coulée par exemple, à son accélération ou son freinage dans la
direction des
écoulements qu'il a déjà naturellement ou aux changements imposés de
direction. De très
nombreux documents publiës (ouvrages, articles, brevets) lui ont été dédiés.
On citera
simplement ici, pour simple référence historique, le brevet français n°
2.187.465 (IRSID)
datant de 1972 et décrivant déjà un brassage remontant le long des parois par
action sur le
métal d'un champ magnétique glissant verticalement. On visait ainsi à
favoriser une
structure de solidification de type équiaxe dès la lingotière, ainsi que
l'amélioration de la
propretë sous-cutanée via un lavage du front de solidification par les
courants ascendants
de métal liquide emportant avec eux les bulles de gaz formées in situ et les
inclusions non
métalliques jusqu'au ménisque où elles sont fixées par le laitier de
couverture qui surnage.
On citera également, plus près de nous, et parce que l'application concernée
est peu éloignée de celle de l'invention, voire complémentaire, la Demande de
Brevet
Européen publiée sous le n° 0.550.785 (NKK corp.). Ce document propose,
en efFet,
l'utilisation de champs magnétiques glissants vers l'intérieur, c'est à dire
des petites faces
vers la busette, pour freiner les jets de métal liquide soriant des ouïes,
afin de modérer la
vigueur des écoulements en "double boucle" lorsque les vitesses mesurées au
ménisque
sont estimées trop ëlevées.
De même, la Demande de Brevet Européen publiée sous le n° 0.151.648
(KSC) décrit, elle, les choix possibles entre un brassage vertical du métal en
lingotière à
~FE111LLE'M~DIFI~ö~'
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(aide de champs magnétiques glissants verticalement de bas en haut pour
améliorer la
propreté de surface du produit coulé, et un brassage horizontal à (aide de
champs mobiles
horizontalement pour améliorer alors la propreté inclusionnaire sous-cutanée
par un effet
de lavage du front de solidification. Dans ce cas, il est conseillé d'ailleurs
de régler les
5 différents inducteurs entre eux de manière que les champs glissants, que
chacun produit
individuellement indépendamment des autres, génèrent un effet d'ensemble qui
soit de
préférence un mouvement de convection rotatif du métal autour de Taxe de la
lingotière. Il
y est également suggéré que des champs glissants horizontalement vers
(intérieur, en sens
opposé des jets issus de la busette, donc des petites faces vers la busette,
seraient
l0 favorables à (obtention d'une propreté inclusionnaire située en profondeur
sous la peau
solidifiée. En revanche, des champs glissants horizontalement vers (extérieur
seraient eux
favorables, tout comme l'étaient déjà les champs glissants remontant du brevet
français de
1972 prémentionné, à un lavage du front de solidification afm de le
débarrasser, à
(endroit de faction du champ, des inclusions non métalliques ainsi que des
bulles de CO
gazeux formées pax la solidification du métal.
On aura d'ailleurs noté que ce mode opératoire de mise en oeuvre de champs
magnétiques glissants horizontalement vers (extérieur et agissant en hauteur
au niveau
des ouïes de la busette sur les jets de métal entrant s'inscrit à (instar
d'une variante
préférée de ce que (invention propose de faire systématiquement durant toute
la coulée,
2o mais, dans ce cas, pour imposer un mode de circulation stable en "double
boucle" des
mouvements de convection du métal en fusion au sein de la lingotière.
L'invention sera de toute façon bien comprise et d'autres aspects et avantages
apparaitront plus clairement au vu de la description qui suit donnée, à titre
d'exemple, en
référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles:
- les figures lA et 1B montrent, on le rappelle, vue de face et~en élévation
dans un plan
médian vertical axial passant par les ouïes de sortie latérale d'une burette
immergée et
parallèle aux grandes faces de la lingotière, la forme générale. des
trajectoires des
courants de convection du métal liquide au sein de la lingotière,
respectivement dans
le cas d'un mode "simple boucle" (lA) et dans le cas d'un mode "double boucle"
(1B);
- la figure 2 est un graphique statistique établi à partir d'une compilation
de données
réelles et permettant de déterminer en fonction des paramètres de coulée que
sont la
vitesse de coulée en abscisses et Ia largeur de la brame coulée en ordonnées,
les
domaines de fonctionnement naturellemént stable en "simple boucle" -domaine S-
et
en "double boucle"-domaine D-. Les triangles sont des ëvènements de type
"simple
boucle"; les losanges sont des évènements de type "double boucle". Pour des
raisons
de clarté, les données correspondantes à des évènements naturellement
instables,
basculant aléatoirement d'un mode S à D ou de D à S n'ont pas été portées.
- la figùre 3 est une vue schématique générale de ce qu'est une lingotière de
coulée
continue de brames équipées des moyens de (invention;
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- la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 3 mais montrant un
peu plus en
détails la technologie des inducteurs linéaires à champ glissant utilisables;
- la figure 5 est un schéma de principe, montrant vu de dessus de la
lingotière le mode
d'action des inducteurs à champ glissant mis en ouvre selon l'invention;
- la figure 6 montre, venant d'une simulation informatique par modèle de
calcul, trois
couples de schémas A, B, C, disposés les uns au-dessus des autres, et
représentant
chacun les caractéristiques des mouvements de convection au sein d'une
lingotière à
brames avec diffërentes valeurs de l'intensité des champs magnétiques
glissants
appliqués conformément à l'invention.
lo Sur les figures, les mêmes éléments sont désignés sous des références
numériques identiques.
Les figures lA et 1B ont déjà servi à illustrer les définitions données dans
la
partie introductive du présent mémoire de ce qu'il faut entendre sous les
vocables de
"simple boucle" et "double boucle" dans le contexte de l'invention.
Sur la figure 2, à laquelle on se réfère maintenant, les domaines S et D,
correspondants respectivement aux deux types de recirculation naturelle
stables "Simple
boucle et "Double boucle", sont sëparés par une ligne double P en traits
discontinus
légèrement oblique par rapport à la verticale. Cette ligne de séparation P
permet de se
rendre compte aisëment que le mode de recirculation naturel en "double
boucle",
2o domaine D, est plutôt réservé aux vitesses de coulée élevées, disons
supérieure à 1,4
m/min, et ce quelle que soit la largeur de la .bande coulëe, alors qu'en
dessous de 1,2
m/min environ, on se situe quasiment systématiquement dans le domaine S du
"simple
boucle". Entre les deux, il suffit d'une faible modification du format des
produits coulës,
en l'occurrence d'1/l0ème environ, pour passer d'un mode à l'autre. De même,
pour les
largeurs coulées classiques, allant disons de 1200 à 2100 mm, on peut
facilement
basculer d'un mode "double boucle" à un mode "simple boucle" simplement sous
l'influence d'un changement relativement minime de la vitesse de coulée dans
la plage
habituelle de 1.2 à 1.4 m/min. En tous cas, on voit qu'à la vitesse habituelle
de 1.3 m/min,
le pivot sur la largeur du produit est 1500 mm. En dessous, on reste en
"double boucle",
au-dessus, on passe rapidement en "simple boucle". La ligne pointillëe
d'allure générale
hyperbolique R reprësente, elle, une coulée de référence avec un dëbit métal
constant de
4,6 tonnes/min, (produit entre la section coulëe et la vitesse de coulëe si
fon admet que le
niveau en hauteur du ménisque oscille peu autour d'une valeur fixe au cours de
la
coulée).
On notera que la ligne de sëparation P se translate vers la gauche,
élargissant
le domaine du "double boucle" quand la profondeur d'immersion de Ia busette
augmente
ou, si fon utilise un bullage à (argon pour ëviter les risques de bouchage de
la busette
(coulées de nuances bas ou très bas carbone calmées à falwninium par exemple),
quand
le débït d'argon baisse.
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On aura compris, qu'en somme, Ia mise en ouvre de (invention consiste en
fait à faire disparaître la ligne P en Ia translatant vers la gauche jusqu'à
son ëviction du
diagram~.ne.
A cette f n, les moyens de mise en oruvre de (invention sont ceux illusirës
sur
Ia figure 3 d'abord. Sur cette figure, on voit une lingotière 18 pour la
coulëe de brames en
acier 9 constituëe pour f essentiel de deux paires de plaques de cuivre, ou
d'alliage de
cuivre, vigoureusement refroidies par circulation d'eau de refroidissement:
une paire de
grandes plaques en regard fane de l'autre à une distance définissant
fëpaisseur de la
brame: ce sont les grandes faces; et une paire de petites plaques, montëes de
façon
lo étanche au droit à fextrëmitë des grandes plaques afin d'assurer la
continuité du pourtour
intërieur de la lingotière qui définit l'espace de coulëe. Ces plaques de
fermeture latérale
de (espace de coulëe sont les petites faces. Elles sont, en règle gënërale,
montéés mobiles
en translation et leur position entre les grandes plaques plus ou moins
avancëe vers le
cenire est alors un moyen de rëglage de la largeur de la brame coulée.
I5 La lingotière est alimentée en mëtal frais par une busette immergëe 3
centrée
sur Taxe de coulëe A et dont l'extrémitë haute est reliëe de façon ëtanche à
(ouverture
ménagëe dans le fond d'un répartiteur non reprësenté. Comme dëjà vu sur les
figures lA
et 1B, fexirémitë inférieure libre de la busette est pourvue d'ouïes de sortie
latërales,
diamëtralement opposëes, et plonge dans la lingotière à une profondeur ajustée
(une
2o quarantaine de centimètres environ en dessous du bord supërieur des plaques
de cuivre),
avec une orientation angulaire rëglée pour que chaque ouïe soit tournée en
regard d'une
petite face 5 de la lingotière.
.Les moyens pour la mise en ouvre de (invention sont bien visibles en
position de travail sur la figure 3. Ils sont constituës par une unité
électromagnëtique 10
25 reliée à une alimentation électrique polyphasëe 11, de prëférence
iriphasëe.
L'alimentation de puissance 11 est à thyristors afin de pouvoir faire varier
la
frëquence du courant en agissant sur la molette 1~ en façade. Un autre bouton
molette 13
permet lui de régler (intensité du courant. '
L'unitë ëlectromagnëtique est formëe de quatre inducteurs linéaires, de
3o préfërence identiques, de type stator plan de moteur asynchrone. Pour ce
qui suit, on se
rëfèrera conjointement aux figures 3, 4 et 5 afin d'avoir une approche plus
complète des
moyens mis en oeuvre pour la rëalisation de (invention. Ces inducteurs sont
regroupés
par paires, une paire d'inducteurs 14,14' (et 15,15') pax grande face de la
lingotière. Les
deux inducteurs d'une même paire, par exemple la paire 14,14', sont montës sur
la méme
35 grande face, mais de part et d'autre de la busette 3 en position relative
de prëférence
symétrique. Ces deux inducteurs 14,14' peuvent étre indëpendants l'un de
l'autre
mëcaniquement et ëlectriquement. Ils sont cependant reliës à l'alimentation 11
qui
commande leur fonctionnement magnéüque de manière coordonnëe afin que chacun
produise un champ magnëtique glissant horizontalement vers (extérieur de la
lingotière,
40 c'est à dire dans un sens allant de la busette 3 vers les petites faces
d'extrémitë 5. Les
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maximums de chaque champ n'ont pas non plus besoin d'être à chaque instant
süués le
long de (inducteur à égale distance de la busette. Il ünporte seulement que
les
enroulements électriques constitutifs de chaque inducteur, que celui-ci soit
du type "à
pôles magnétiques saillants" donc bobinés, ou du type "à pôles répartis",
soient eux-
mêmes polyphasés et compatibles sur ce plan avec (alimentation 11 de manière à
pouvoir être chacun relié aux bornes de cette alimentation dans un ordre de
phases
séquentiel adéquat assurant le glissement du champ dans le sens "vers
fextërieur"
souhaité.
On rappelle au besoin que si le glissement du champ magnétique est parallèle
à la face à laquelle (inducteur est appliqué, le champ lui-même, gënëré par
cet inducteur,
est globalement perpendiculaire au plan de cette face. En tous cas, on sait
que c'est la
composante perpendiculaire à cette face qui est la seule active dans la
production
d'énergie utile sous forme d'une force d'entraînement du métal dans le sens du
glissement
du champ. On a donc avantage, afm de maximiser le rendement énergétique de
is (opération, de disposer d'inducteurs dont les lignes de force des champs
produits sont
orthogonales au plan des faces et qu'elles se propagent ainsi le plus loin
possible à
(intérieur du mëtal à couler.
C'est la raison pour laquelle d'ailleurs, en règle générale, on rajoute une
seconde paire d'inducteurs, telle que 15,15' en regard sur (autre grande face
de la
, lingotière. L'alimentation 11 alimente alors ces inducteurs ajoutés en
opposition de phase
par rapport aux inducteurs 14, 14' en regard pris dans cet ordre, de sorte que
les champs
produits par deux inducteurs en regard fun de (autre sur Ies deux faces
opposées de la
lingotière, en (occurrence 14 et 15, ou 14' et 15', sont dans le même sens et
donc
s'additionnent pour, en tout point de (espace de (entrefer ainsi formé,
constituer un
champ magnétique traversant le produit coulë de part en part, et dont on sait
(avantage
par rapport à un champ longitudinal puisque (intensité au centre du produit
est à peine
plus faible qu'au voisinage des inducteurs.
Quoiqu'il en soit, le schéma de la figure 5 montre clairement que
conformément à l'invention, lorsqu'on met en ouvre les champs magnétiques
glissants
pour instaurer un mode "double boucle", ou pour le stabiliser quand il s'y
Trouve dëjà
naturellement, le sens de glissement est le même pour tous les inducteurs
agissant dans
un même demi-espace de coulëe (gauche ou droit), et dans chaque demi-espace le
sens
de glissement va vers fextërieur de la Iin.gotière, c'est à dire de la busette
3 vers les
petites faces d'extrëmitë 5.
La figure 4 permet d'offrir une vue un peu plus détaillée d'une rëalisation
technologique des inducteurs. Ils sont montés, comme on le voit, dans la
chambre à eau
de refroidissement supërieure 16 de la lingotière (dessinée en traits fins)
afin de
bénéficier de l'effet de refroidissement, mais aussi pour pouvoir rapprocher
les faces
actives polaires 17 au plus près du métal coulé. On voit également que chaque
inducteur
~ porte des nervures apparentes 19, 19', 20, destinées à assurer les fixations
et alignements
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nécessaires encre eux et à régler leur position en hauteur par prise dans des
rainures de
support correspondantes dans le châssis porteur de Ia machine de coulée (non
représenté). On notera la forme biseautée des faces actives 17, afin d'être
moins exposées
lors des manutentions, mais également afin de concentrer un peu plus les
lignes de force
du champ magnétique produit sur une distance en hauteur plus réduite.
La mise en oeuvre d'un tel équipement électromagnétique permet la mâitrise
des mouvements de convection du métal au sein de Ia lingotière conformément à
(invention, et la figure 6 à laquelle on se reporte maintenant illustre bien
le profit tiré de
cette maîtrise.
1 o Chaque schéma A, B, ou C présente, dans sa fenêtre de gauche, les
trajectoires des lignes de courant de convecüon du métal choisi arbitrairement
dans le
demi-espace droit de coulée d'wle lingotière à brames, contenu en abscisses L
entre l'axe
de coulée A et la petite face d'extrémité 5, et se développant sur la hauteur
h de la
lingotière depuis le ménisque 4 (ordonnée 0) jusqu'à une profondeur de 70 cm.
Le graphe
associé à droite donne en ordonnées les valeurs correspondantes de la vitesse
"s" du
métal au niveau du ménisque 4 sur Ia ligile de mesure médiane qui relie (ouïe
de sortie 2
de Ia burette à la petite face d'extrémité opposée 5 placée en abscisses.
Cette vitesse est
comptée algébriquement, avec un signe positif quand le sens des courants va de
la
bùsette vers Ia petite face et donc négativement dans le sens contraire.
Toute chose égale par ailleurs, chaque couple est représentatif d'une valeur
différente de (intensité du champ magnétique agissant. Le couple A est associé
à un
champ nul (i = 0 A), donc illustre la situation avant la mise en oeuvre de
l'invention. Le
couple B est associé à une valeur d'intensité de champ magnétique moyenne,
correspondant à w courant excitateur des enroulements inductifs d'intensité
e~cace i de
250 A. Le couple C illustre la situation quand le champ magnétique appliqué
est produit
sous une intensité de courant i de 450 A.
Comme on le voit sur A, à (état naturel; dans (exemple considéré, la
configuration est du type "simple boucle". Le jet, qui sort de (ouïe 2, suit
une trajectoire
principale 1 tracée en traits foncés qui est à peu de chose près celle que fon
reirouve sur
la figure lA. On ne le décrira donc pas à nouveau ici. On notera cependant la
présence au
voisinage immédiat de la burette d'un petit rouleau 21 tournant à contresens.
Ce
phénomène local naît du fait que le courant principal 1 remonte certes vers le
ménisque
après la sorüe du jet de métal hors de l'ouïe 2, mais cette remontée n'est,
bien entendu, ni
immédiate ni parfaitement verücale, de sorte qu'il se crée inévitablement des
recirculations locales à contresens dans les zones hydrauliquement "mortes"
contre la
burette. On Ie voit d'ailleurs clairement sur le diagramme associé des
vitesses au
ménisque où (inversion des vitesses s'opère en un point M à la cote d'abscisse
0.5 m de
Taxe de coulée correspondant à (extrémité du rouleau 21. A gauche de ce point
d'invërsion M, le métal circule au ménisque dans le sens "petite face vers
busette", alors
qu'il circule de la busette vers la petite face à droite du point M, avec une
intensité
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d'ailleurs sensiblement plus élevée en moyenne. Cette courbe de vitesse est
reproduite sur
Ies deux autres diagrammes afin de servir de comparaison.
Lorsqu'on active les inducteurs sous un courant d'excitation de 250 Ampères
efficaces sur les 500 disponibles qu'offrait (équipement considéré, le schéma
B montre
5 que rien ne se passe de significativement différent par rapport à la
situation précédente.
On notera cependant, sur le diagramme des vitesses un léger fléchissement du
pic de
vitesse positive (région du ménisque à la droite du point d'ülversion M), donc
un léger
déplacement de ce point M vers la petite face 5, ce qui exprime en fait une
amorce en
faveur de (instauration du mode de circulation "double boucle" recherché.
lo Ce mode "double boucle" est en effet pleinement obtenu avec une intensité
du courant excitateur des inducteurs de 450 A eff., comme le montre le schéma
C. En
effet, le point d'inversion a cette fois complètement disparu pour Ia.isser
place à un profil
de valeurs négatives tout du long du ménisque. On voit sur la fenêtre de
gauche que ceci
se traduit, outre la transformation de la ligne de courant principal 1
remontante en une
ligne 8 continûment descendante, par (apparition d'une boucle de recirculation
supérieure 7 qui amène une fraction du jet de métal frâis coulé, remontant le
long de la
petite face, de celle-ci jusqu'à la burette 3 et qui, à peu de chose près,
peut se calquer sur
Ia configuration en "double boucle"que fon retrouve sur la figure 1B.
On voit donc sur cet exemple comment la mise en ouvre de (invention
permet (instaurer très simplement un mode de circulation "double boucle" au
métal
coulé dans we lingotière qui naturellement était le siège d'une circulation en
mode
"simple boucle".
Il en aurait été de même si la situation naturelle avait ëtë un régime de type
instable.
Si la süuation d'origine avait été déjà en mode "double boucle", (invention
fautait stabilisé. Dans un tel cas, il n'est nullement à craindre que
l'invention conduise à
des mouvements de convection trop vigoureux au niveau du ménisque, dont on
sait qu'ils
sont alors préjudiciables à Ia qualité recherchée du produit coulé obtenu. En
effet, le
principe même du fonctionnement des inducteurs plans polyphasés à champ
glissant est
celui du moteur asynchrone: c'est le différentiel de vitesses encre le champ
magnétique
glissant et le courant de métal liquide, sur lequel il agit pour (entraîner
dans son
déplacement, qui détermine précisément la force d'entraînement du métal. Tant
que la
vitesse de glissement du champ est supérieure à celle de la convection du
métal, il y a
effet d'entrainement du métal par le champ. Mais, cet effet d'entraînement est
d'autant
moins puissant que la vitesse de circulation du métal se rapproche de celle de
déplacement du champ magnétique, et (effet devient par principe nul si ces
deux vitesses
sont égales ou s'égalisent.
En somme, si le mode naturel de circulation du métal en fusion au sein de la
lingotière est déjà en "double boucle", la mise en ouvre de (invention aura
(avantage de
le stabiliser, le régulariser, voire le modérer au besoin..Il suffit en effet
pour cela
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d'intervenir sur le réglage de la fréquence du courant excitateur. Pour un pas
polaire
donné de (inducteur, la vitesse de glissement du champ magnëtique mobile qu'il
génëre
est en effet, comme on le sait, proportionnelle à la fréquence de pulsation du
champ,
donc du courant ëlectrique qui le produit en parcourant Ies enroulements de
l'inducteur.
En conséquence, (invention permettra au besoin de calmer automatiquement une
boucle
de recirculation au ménisque trop vigoureuse, en choisissant une fréquence du
courant
excitateur telle que la vitesse de dëplacement des champs soit inférieure à
celle du
courant de mëtal au ménisque.
Autrement-dit, on règle l'intensité du champ magnétique par le choix de
lo filltensité du courant excitateur; on règle sa vitesse de glissement via la
frëquence de ce
courant; et on règle le sens du glissement du champ par une connexion ad hoc
des
enroulements de l'inducteur aux phases de l'alimentation ëlectrique. Ceci
n'est rien d'autre
que ce que l'hoi~znne de mëtier, utilisant les moyens de la M.H.D. sur sa
machine de
coulée, sait dëjà de manière habituelle et de longue date. On exprime là
encore une fois la
simplicitë et la maturité de (outil que met l'invention à la disposition de
l'exploitant pour
réaliser sa mise en ouvre industrielle.
Cela dit, il est tout à fait envisageable, dans le cadre de (invention, de ne
faire agir les champs magnétiques que si la configuration des mouvements de
convection
n'est pas dëjà naturellement de type "double boucle". La figure 2 constüue à
cet égard
2o une précieuse aide graphique qui permettra aisément à (opérateur de savoir
d'emblée s'il
se situe naturellement, ou s'il a de bonnes chances de se süuer déjà,. dans
cule
configuration simple ou double boucle.
De même, si la configuration est déjà naturellement en mode "double boucle"
stable, on peut fora bien opter pour une variante parüculière de mise en ouvre
de
(invention qui consiste à mettre en ouvre, non plus les champs glissants pour
la
promotion d'un régime "double boucle", mais d'autres champs glissants qui eux
se
déplacent dans le même sens sur chaque face de la lingotiëre, mais dans des
sens opposés
sur les deux faces en regard. Ainsi, on se trouvera dans un système de ch~nps
magnétiques mobiles dits longitudinaux et non plus traversants, dont (effet
d'ensemble
sur le métal se traduira par un mouvement global de rotation du mëtal autour
de Taxe de
coulée. Pour ce faire, l'équipement ëleciromagnétique reste exactement le
même. Il suffit
simplement de modifier en consëquence l'ordre de connexion des enroulements
inductifs
de chaque inducteur 14, 14', 15 et 15' aux bornes de (alimentation polyphasée
11. Au
demeurant, cette variante de réalisation permettra également au besoin de
calmer
~ automatiquement Cule boucle de recirculation au mënisque trop vigoureuse, en
choisissant là encore une fréquence du courant excitateur telle que la vitesse
de
déplacement des champs soit inférieure à celle du courant de métal au
ménisque.
Il va de soi que (invention ne saurait se limiter aux exemples explicités dans
le présent mémoire, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans
la mesure
où est respectëe sa dëfmition donnée par Ies revendications jointes.
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Par exemple, on peut promouvoir le mode "double boucle" avec des champs
magnétiques glissants agissant, non plus sur la ou les grandes faces de la
lingotière, mais
,sur les petites faces d'extrémité. L'inducteur à utiliser pour créer chaque
champ agissant
pourra être le même que précëdeminent. Mais, il devra être placé sur la petite
face en
hauteur à un niveau correspondant grosso modo à la plage qui sépare Ie mëusque
de la
projection horizontale sur la petite face de l'ouïe de la busette ouverte en
regard, et sera
orienté difFéremment afin de produire un champ glissant vertical. Par
ailleurs, la
connexion de ses enroulements aux phases sur (alimentation électrique devra
être faite
pour assurer un déplacement du champ du bas vers le haut.
IS
