Brevet FR2176940A1 — publié le 19731102

La présente invention concerne un procédé de refusion d' électrodes consommables au moyen d'un courant électrique dans une lingotière refroidie, procédé dans lequel la masse fondue, qui se trouve dans la couche liquide de la lingotière, exécute des mouvements. Dans les refusions de ce genre, au cours desquelles les électrodes consommables sont refondues, par exemple en vue de les affiner comme,par exemple, dans le procédé à arc sous vide, ou par refusion sous laitier au four électrique, il se forme pendant la solidification, par l'action des courants de convection propres à ces procédés, des enrichissements locaux en éléments d'alliage dans la couche liquide, qu'on ne peut expliquer par les phénomènes classiques de ségrégation, à l'échelle microscopique ou macroscopique et qui, par ailleurs, n'obéissent pas aux lois de ces derniers phénomènes.Ces phénomènes conduisent, en particulier dans le cas des aciers à outils à teneur élevée en chrome et en carbone, à des enrichissements locaux en carbure sous forme de particules fines ou meme grossières qui provoquent, par endroits, après le traitement thermique, des différences de dureté inadmissibles : ces enrichissements locaux sont dénommés nfrecklesn (taches de rousseur) par les spécialistes. Ces nfrecklesw apparaissent de façon particulièrement intense avec les aciers eutectoldes ou quasi-eutectoides, car ces aciers sont caractérisés par un intervalle étendu de solidification.Ce problème est traité en détail dans le document tMetallurgical Transactions", 1970, pages 2193 à 2204. Â titre exemple, on peut citer le phénomène de formation de freckles avec un acier 90 Cr 7 quasi eutectoide à teneur élevée en chrome et carbone.Pendant la solidification de cet acier, il se forme des cristaux dentritiques dont la composition est représentée par des points qui se trouvent sur la surface du solidus de la zone r, si bien que la masse fondue est enrichie, en avant du front de solidification, en éléments d'alliages relativement peu solubles, en particulier en chrome et carbone. Sn cas de dépassement du produit de solubilité pour la formation de carbure, on observe la disparition des phases de carbure primaires, qui s'enrichissent, en fonction du gradient de température, dans la zone à deux phases. Lors de la refusion de cet alliage à l'échelle industrielle, il se forme au-dessus du lingot en cours de solidifica- tion, une couche de métal liquide qui tourne dans une direction préférentielle sous l'action des courants de convection et celle du champ magnétique du courant de chauffage.Conformément aux lois de la mécanique des fluides, on observe, en avant du front de solidification, la formation d'une couche limite d'écoulement dans laquelle la vitesse d'écoulement diminue jusqu'à la valeur zéro au contact du front de solidificationO A ce profil d'écoulement s'ajoute, dans les conditions existantes, une couche limite de température et une couche limite de diffusion de Nernst. Etant donné l'absence de possibilité d'égalisation ou de possibilité de répartition des éléments d'alliage donnant lieu à des enrichissements locaux, il apparat des ensembles de "freckles" souvent observés.Lors de la refusion par un courant électrique, on observe, en outre, à cause des champs magnétiques intenses apparaissant dans ces conditions, une orientation préférentielle et une agglomération des carbures précipités étant donné que leurs caractéristiques magnétiques diffèrent sensiblement de celles de leur environnement. En partant de cet état de la technique, l'invention vise à empêcher la formation de "frecklest ou tout au moins de la réduire dans une mesure telle que les caractéristiques d'utilisation des outils réalisés en acier de refonte ne soient pas altérées de façon inadmissible. Ce but est atteint, selon l'invention, par un procédé du type mentionné au préambule, dans lequel on modifie périodiquement en direction et en amplitude les mouvements de la masse fondue présente dans la couche inférieure liquide à l'aide du champ magnétique propre du courant utilisé pour la fusion. Le procédé selon l'invention empêche la formation de la couche limite d'écoulement orientée dans un seul sens décrite ci-dessus. Ce résultat est obtenu en modifiant le vecteur écoulement résultant de la convection thermique et du champ magnétique, par un changement du champ magnétique créé par le courant de fusion dans la couche liquide de métal. Cette modification peut être provoquée, par exemple, par des coupures et des rétablissements successifs du courant de. fusion, pardes coupures et des rétablissements de ce courant dans une autre direction ou même par superposition au courant de fusion d'un courant alternatif à très basse fréquence. Dans ces conditions, le profil d'écoulement qui s'est formé localement en. avant du front de solidification disparaît et se rétablit pé riodiquement. Avant tout, on observe lors de sa réapparition des phénomènes de turbulence et de quasisturbulence à la suite desquels les profils de concentration et de température di spa- raissent, si bien que disparaissent ou tout au moins sont réduits les enrichissements locaux en carbure et en autres éléments donnant lieu à une ségrégation. La succession dans le temps de ces modifications périodiques est déterminée par des considérations géométriques et thermiques telles que le diamètre du lingot, la profondeur et le profil de la couche liquide, la composition de l'alliage ainsi que par des conditions électriques telles que la fréquence, la symétrie de la courbe de fréquence, la tension et l'intensité du courant électrique. Plus précisément, l'invention peut être mise en oeuvre de la manière indiquée ci-après. Le changement de direction des mouvements-de la masse fondue est particulièrement efficace et est réalisable par des moyens électriques très simples en effectuant la refusion par le procédé sous laitier au four électrique à l'aide de trois électrodes et d'une alimentation en courant triphasé et en inversant périodiquement le sens de rotation du champ tournant. Cette inversion est réalisable par simple interversion des deux phases du circuit à courant alternatif. Le passage d'un sens de rotation au suivant provoque une forte turbulence - même immédiatement en avant du front de solidification - qui fait disparaître efficacement les profils existants de concentration et de température. Ce procédé peut être aussi mis en oeuvre avantageusement avec quatre électrodes lors d'une refusion sous laitier au four électrique. Ce procédé à quatre électrodes est en général mis en oeuvre pour la refusion de lingots volumineux, pour lesquels les risques de formation de Mfrecklesfl sont particulière- ment élevés. Ge procédé convient aussi pour les installations à une électrode. Alors que pour les installations à plusieurs électrodes) un changement du sens de rotation du champ magnétique est réalisable assez facilement, il est nettement plus difficile à provoquer dans les installations à une seule électrode. Il nécessite un courant alternatif d'amplitude variant irrégulièrement, les changements d'amplitude devant être réalisés avec une période de plusieurs minutes et l'amplitude des impulsions ainsi engendrées devant suffire pour provoquer une rotation dans un sens ou dans le sens opposé.Ceci peut être réalisé par superposition à la fréquence normale de travail d'un courant continu à polarité inversible ou d'un courant alternatif de fréquence très basse, comprise entre 0,01 et 0,001 Itz. On peut aussi, comme on l'a exposé ci-dessus, provoquer la modification du champ magnétique par coupure et rétablissement du circuit électrique0 Cependant, dans ces conditions, 11 action sur la masse en mouvement n'est pas aussi forte que lors du changement de sens de rotation, étant donné le moment d'inertie élevé de la masse en mouvement Le procédé convient non seulement pour la refusion par le procédé sous laitier au four électrique mais aussi pour n'importe quel procédé de refusion dans une lingotière refroidie utilisant un courant electrique, ainsi que pour le procédé de refusion à 1'arc électrique. L'invention est expliquée ci-après en détail par un exemple de mise en oeuvre. Des électrodes en alliage 80 Cr 7 sont refondues par le procédé sous laitier au four électrique dans une lingotière de 90 cm de diamètre refroidie par l'eau. On opère avec trois électrodes et un circuit à courant alternatif triphasés Les changements de sens de rotation du champ magnétique sont provoqués toutes les 5 minutes. On passe de la disposition des phases P1, P2, P à la disposition P1, PD, P2 pour revenir P1, P2, P3, etc. Dans ces conditions, on fait complètement disparaître les "frecklesX des cylindres de laminoir à froid fabriqués avec ces lingots. Les cylindres de laminoir à froid qui ont été réalisés à partir de lingots provenant de la même coulée d'origine, avec la même installation, mais sans inversion de rotation du champ magnétiquesssont caractérisés par une formation intense de "freckles" REVEND I CT IONS 1.- Procédé de refusion d'électrodes consommables au moyen d'un courant électrique, dans une lingotière refroidie, procédé dans lequel la masse fondue exécute des mouvements dans la couche liquide de la lingotière, caractérisé par le fait que la direction ou l'amplitude ou la direction et l'amplitude de ces mouvements sont périodiquement modifiées à l'aide du champ magné tique du courant de fusion lui-meme. 2.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel la refu sionpar le procédé sous laitier au four électrique est réalisée par trois électrodes alimentées en courant alternatif et le sens de rotation du champ est périodiquement inversé. 3.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel la refusion par le procédé sous laitier au fourvélectrique est réalisé avec quatre électrodes.