Brevet FR2313156A1 — publié le 19761231

La présente invention a trait au contrôle et au réglage de l'intensité du mouvement de rotation des produits métalliques obtenus par coulée centrifuge et notamment par coulée continue centrifuge. Les opérations de coulée continue centrifuge consistent à créer au sein du métal en fusion, descendant lentement dans une lingotière ouverte à ses deux extrémités, un mouvement de rotation autour de l'axe de coulée. On sait qu'une telle technique conduit à une amélioration de la santé du lingot a la fois a coeur et en peau. I1 a été constaté par exemple que le mouvement de rotation occasionnait au front de solidification un arrêt de la croissance basaltique au profit d'une structure de solidification equiaxe étendue et fine. Par ailleurs, à l'extrérnté supérieure de la lingotière, la surface libre du métal liquide généralement appelée "ménisque" présente, sous l'effet de la rotation, la forme d'un paraboloîde de révolution.On a pu alors observer que les crasses et laitiers se rassemblent, sous l'effet de la gravitation, dans la partie centrale du ménisque liquide. On rend généralement ce mécanisme responsable de la propreté de peau du lingot en ce sens que l'effet de la rotation s'oppose'à ce que les particules de laitier aillent s'incruster dans la peau qui se forme a l'extremi- té amont de la lingotiére. On comprend toutefois que de tels résultats ne sont évidemment pas indépen- dants de la vitesse de rotation du métal dans la lingotière. On a ainsi pu montrer que sous l'effet des forces développées au sein du métal en rotation, les inclusions avaient tendance à se deplacer de la peau vers le centre du produit coulé et que l'importance d'un tel déplacement etait fonction de la vitesse angulaire de rotation. D'autre part, en ce qui concerne la structure de solidification interne du lingot, on a pu constater qu'en deçà d'une certaine vitesse de rotation la cristallisation basaltique n'etait pas stoppée.De méme, au delà d'une vitesse limite superieure, on encourait le risque de provoquer la création d'une zone de ségrégation négative à un endroit déterminé du front de solidification correspondant aux derniers millimétres de la zone basaltique. Par ces quelques exemples on peut comprendre tout l'intérêt de pouvoir contrôler et réguler à volonte la vitesse de rotation du métal coulé dans la lingotière en fonction de la qualite desiree des produits obtenus. La présente invention a précisément pour but de permettre de telles operations en se servant de l'étalement plus ou moins prononcé de la couche de crasses et laitier dans la partie centrale du ménisque liquide en fonction de l'intensité du mouvement de rotation du métal coulé.A cet t effet, la présente invention a pour objet un procedé de contrôle et de réglage de l'intensité du mouvement de rotation des produits métalliques dans une lingotière de coulée continue centrifuge consistant à effectuer les opérations successives suivantes - On vise une partie centrale du ménisque de métal liquide non perturbée par le jet d'introduction du métal dans la lingotière, ce jet étant, de ce fait, disposé entre l'axe central et les parois de la lingotière, - On mesure la quantité de lumiere rayonne par ladite partie centrale et on élabore un signal represèntatif de la quantité mesurée, - On compare ce signal à une grandeur de consigne représentant une quantité désirée de lumière rayonnée et a-partir de cette comparaison, on élabore un signal d'écart correspondant aux variations éventuelles de la quantité de lu mière rayonnee, - Enfin, on agit sur les moyens de mise en rotation du métal coulé de manière à ramener ledit signal d'ecart à une valeur sensiblement nulle. Selon une variante avantageuse du procédé, on éclaire la partie centrale du ménisque par une source lumineuse d'appoint moyennant quoi la quantité de lu mière rayonnée par ladite partie centrale correspond la superposition de la quantité de lumière émise et de la quantité de lumière reflechie. La présente invention -a également pour objet un dispositif constitué par un ensemble de moyens structurés et aqencés de maniere à être appropries à une mise en oeuvre avantageuse du procédé. Ce dispositif comprend - des moyens pour introduire le métal liquide dans la lingotière sous la forme d'un jet vertical ou de préférence incliné dans le sens de rotation et disposé à un endroit intermédiaire entre l'axe central et les parois de la lingotière de manière à ménager autour de l'axe de coulée une zone du ménisque non perturbée par l'introduction du métal, - des moyens pour mesurer la quantité de lumière rayonnee par au moins une partie centrale predéterminée de ladite zone et pour elaborer un signal représentatif de cette mesure, - des moyens pour fournir une qrandeur de consiqne correspondant a une quantité désirée de lumière rayonnée, - des moyens pour comparer le siqnal représentatif de la quantité mesurée de lumière rayonnée et la qrandeur de consigne et pour élaborer un signal d'écart representatif du résultat de cette comparaison, - des moyens pour agir sur l'intensité du mouvement de rotation du métal dans la lingotière, ces moyens étant mis en service par le signal d'écart. Selon une caracteristique de la présente invention, les moyens pour mesurer la quantité de lumiere rayonnée par la partie centrale du ménisque liquide sont constitués par une cellule photoélectrique. Selon une variante avantageuse, le dispositif conforme à l'invention comprend en outre des moyens pour éclairer la partie centrale du ménisque, par exemple une source lumineuse extérieure. I1 est necessaire de remarquer que l'expression "vitesse de rotation" pour qualifier le mouvement du métal liquide autour de l'axe de coulée n'exprime pas d'une manière précise la réalite physique des phenoménes hydrodynamiques comple xes qui apparaissent dans le métalliquide sous l'action du champ magnétique tournant ou de la rotation de la lingotière. Ainsi, il a pu etre constaté par exemple que le vecteur vitesse a des valeurs différentes en divers points situés dans le plan radial qui lui est perpendiculaire. De ce fait, il est préférable d'employer l'expression "intensité du mouvement de rotation" nettement moins sujette a caution que l'expression précédente. S'il est aisé dans la pratique courante de connaitre la vitesse de rotation de la lingotière ou, dans le cas d'une coulée continue centrifuge electromagne- tique, la vitesse de rotation du champ magnétique, il en va tout différemment de la détermination de la vitesse de rotation du métal liquide dans la lingotière. En effet, pour une vitesse de rotation donnée dela lingotière ou du champ magnétique, la vitesse de rotation du métal liquide peut être variable tout en demeurant constamment inférieure a cette premiere. Cette différence de vitesse est très difficilement déterminable et dépend de nombreux facteurs variables au cours de la coulée tels que la rugosité du récipient, la viscosité, la tempé- rature et éventuellement la conductibilité électrique du métal coulé, etc... Ceci implique que si lors d'une opération de coulée on a pu, compte tenu de la qualité désirée des produits obtenus, détenniner des limites entre lesquelles doit évoluer la vitesse de rotation de la lingotière ou du champ magnetique, ces limites sont susceptibles de varier de façon incontrôlée durant la suite de l'opération de coulée, ou d'une coulée a l'autre.Autrement dit, a une vitesse de rotation donnee des moyens de mise en mouvement du métal coulé (lingotière ou champ magnetique) peut correspondre une vitesse de rotation variable du métal au cours des operations de coulée et par voie de conséquence, des caracteristiques structurales irrégulières du produit métallique obtenu. I1 apparait donc qu'il n'y a pas de corrélation directe entre les critères de qualité des produits coulés et la vitesse de rotation des moyens permettant la mise en rotation du métal dans la lingotière ; toute tentative de contrôle et de régulation du processus de rotation du métal liquide par une telle voie risque donc d'être entachée d'un caractère fortement aleatoire généralement peu compatible avec les impératifs des producteurs d'acier. Comme on le comprend, le demandeur a résolu un tel problème en utilisant en tant que moyen de contrôle et de réglage de l'intensité du mouvement de rotation du métal dans la lingotière, les variations de 1 'Intensité lumineuse rayonnée par une partie centrale du ménisque liquide, variations dues a l'étalement plus ou moins prononcé de la couche d'oxydes surnageant sur le bain métallique en fonction de l'intensité de la rotation du métal. Comme on a pu se rendre compte, cette methode de contrôle et de réglage est basée sur deux phénomènes distincts mais complementaires : un phénomène indé- pendant de la mise en rotation du métal et qui est la présence inevitable sur le ménisque de crasses provenant de l'oxydation des éléments du bain métallique en fusion et dont le pouvoir émissif est inférieur a celui de l'acier et un phe nomène directement dépendant de l'intensité du mouvement de rotation et qui est le rassemblement de ces crasses autour de l'axe de coulée en une couche d'étalement variable selon la forme parabololdale plus ou moins accentuee que prend le ménisque. L'invention sera mieux comprise et d'autres aspects et avantages ressortiront clairement au vue de la description qui suit donnée en regard des planches de dessins annexées sur lesquelles - la fig. 1 illustre les variations de l'intensité lumineuse I rayonnée par une zone centrale du ménisque en fonction de l'intensité V du mouvement de rotation, - la fig. 2 représente tres schematiquement l'ensemble d'un dispositif de contrôle et de réglage de l'intensité du mouvement de rotation uniformément à l'invention. Comme on le sait, le ménisque passe d'une forme convexe, en l'absence de rotation, a une forme concave constituant autour de l'axe de coulée un parabo bide de révolution d'hauteur croissante en fonction de la vitesse de rotation. En conséquence le laitier initialement concentré a la périphérie du ménisque, contre la paroi de la lingotière, va progressivement se disperser sur la surface du ménisque et se rassembler dans la zone centrale de celui-ci sous la forme d'une couche d'oxydes d'abord de faible épaisseur donc très étalée sur le bain métallique, puis d'épaisseur croissante, donc de surface apparente decroissante, jusqu'à disparition totale à l'observation pour les tres grandes vitesses. On peut expliquer cette disparition par un entrainement du laitier dans la zone axiale du lingot par effet de Vortex. Compte tenu de ce qui précède, on peut suivre sur la courbe en trait plein ABC de la fig. 1 l'évolution de I'intensité rayonnée par une partie circulaire centrale de la surface du menisque et de rayon approximativement égal à la moitie du rayon de la lingotière - A vitesse nulle, le laitier étant concentré à la pénphérie du ménisque, l'émissivité de cette partie centrale est maximum région A) et correspond approximativement à l'émissivité de l'acier en fusion (intensité J1). - Dans le domaine des faibles intensités de rotation, de O à K1, en raison du transfert des crasses de la périphérie vers l'axe de la lingotière, on observe une chute rapide de l'intensité rayonnez, jusqu'à une valeur J2 correspondant à l'intensité émise par une couche de laitier recouvrant entièrement la partie centrale visée. - Generalement cette couche s'etend au delà de la zone centrale visee et l'in tensité rayonnée demeure alors inchangee (région B) jusqu'a une valeur K2 de l'intensité de rotation correspondant à une épaisseur de couche telle que sa surface apparente coincide avec la surface vise. - A partir de K2, la surface apparente de la couche de laitier continuant de diminuer progressivement avec la hauteur du ménisque, il apparait à la bordure intérieure de la partie centrale visée une zone annulaire sensiblement exempte de laitier et de surface croissante en direction de l'axe de la lingotière au dépend de la surface apparente de la couche de laitier. il en résulte une augmentation progressive de l'intensité rayonnée par la partie visée jusqu'à K3 (région C) correspondant à la disparition totale de la couche de laitier à l'observation et par consequent à une émissivite maximum de la partie visée (intensité J1) sensiblement egale à celle de l'acier en fusion. il apparait donc que, par la presence sur le ménisque d'une couche de laitier de surface apparente variable en fonction de la hauteur de celui-ci, il existe une corrélation directe entre les variations de l'intensité lumineuse rayonnée par la partie centrale visée et l'intensité du mouvement de rotation du métal dans la lingotière qui constitue de ce fait un moyen de choix pour le contrôle et le réglage de cette dernières Comme on a déjà pu s'en rendre compte, le procedé selon l'invention est basé sur la présence simultanée, dans la zone visée, de deux phases d'emissivité différente : d'une phase métallique constituée par le métal en fusion et d'une phase d'oxydes constituée par le laitier ; les surfaces apparentes de ces deux phases étant en proportions variables l'une par rapport à l'autre en fonction de l'intensité du mouvement de rotation. Autrement dit, les cas extrêmes correspondant, soit à une surface visee purement métallique (région A et C), soit à une surface visée entièrement recouverte de phase d'oxydes (région B) constituent les limites d'application du procédé conforme à l'invention. Toutefois, compte tenu de l'allure genérale de la courbe ABC, on comprend que seule la portion de pente croissante correspondant à l'intervalle K2 K3, sert de préférence aux opérations de contrôle et de reglage. Ceci n'est cependant pas gênant car le domaine des valeurs de l'intensité de rotation susceptible d'intéresser l'opérateur se situe généralement à l'intérieur de cet intervalle. il est à noter toutefois que la dimension de la surface de la zone centrale visée à une importance certaine pour l'efficacité d'un tel contrôle. En effet, plus cette zone centrale est petiterplus la portion de courbe de pente nulle (intervalle K1 K2) sera importante et ainsi réduira d'autant la plage de mesure K2 K3. La courbe en trait discontinu AB'C illustre ce phénomène dans le cas d'une partie centrale ayant un rayon approximativement egal à 1/8 de celui de la lingotière. On constate que la portion d'intensité minimum J2 est conside rablement étalée (K'1 K'2) et que seule une partie tres réduite, correspondant à la plage K'2 K'3, demeure disponible pour les opérations de contrôle. De plus, cette portion est de pente très forte de sorte que le réglage de l'intensité de rotation est rendu beaucoup plus délicat. En conséquence, la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention consiste à déterminer pour la visee une partie centrale de surface telle que l'intervalle K1 K2 soit suffisamment réduit pour être compatible avec des possibilités satisfaisantes de contrôle et de réglage. Bien entendu, une telle determination dépend en premier lieu de la quantite de laitier present sur le ménisque et l'opérateur saura dans chaque cas d'espèce définir une partie centrale de surface appropriée. il prendra garde toutefois à ce que la dimension choisie ne soit pas telle que la partie centrale visée puisse être perturbée par le jet d'introduction du métal liquide dans la lingotière. Il convient également de noter que la forme géométrique de la partie centrale visée a peut d'importance. Toutefois, pour des raisons d'ordre technologique il est préférable de choisir une forme circulaire. On a représenté sur la figure 2 une lingotière de coulée continue centrifuge 1 disposée dans l'entrefer d'un inducteur électromagnétique tubulaire 2. Le métal liquide 3 est introduit dans la lingotière par une busette 4 sous la forme d'un jet disposé à un endroit intermediaire entre l'axe central et les parois de la lingotière. Sous l'effet de la rotation, le ménisque de métal liquide 5 prend la forme d'un parabololde de révolution et les crasses oxydées 6 se rassemblent dans la zone centrale du ménisque. Un détecteur photosensible 7 vise une zone centrale circulaire du ménisque de rayon approximativement egal à la moitie du rayon de la lingotière et fournit en permanence.un signal représentatif de 1 'in- tensité mesurée .Ce signal amplifié par un amplificateur 8, est introduit dans un comparateur 12, de l'ensemble de régulation 9, qui reçoit d'autre part par l'intermédiaire d'une commande 11 un signal de consigne representant l'intensité désirée du rayonnement. Le comparateur élabore à partir de ces deux signaux un signal d'écart qui est envoyé dans un moteur 14 par l'intermediaire d'un amplificateur ou channe d'action 13. Selon la valeur de ce signal le moteur 14 agit sur le dispositif d'alimentation 15 des bobines commandant ainsi le fonctionnement de l'inducteur électromagnétique. Bien entendu l'action du moteur 14 peut se porter indifféremment'sur l'intensité ou la fréquence du courant d'alimentation. On comprend aisément que tout écart de l'intensité mesuree par rapport à la grandeur de consigne entraine une variation appropriée du fonctionnement de l'inducteur de manière à annuler l'écart d'intensité de rayonnement émis. il est à noter que compte tenu de la température du métal lors des opérations de coulée, le ménisque émet un rayonnement se situant dans la gamme de frequences du visible et de l'infrarouge. De ce fait le détecteur photosensible 7 pourra être constitué par une cellule photoélectrique sensible au rayonnement lumineux et infrarouge. Bien que non nécessaire on pourra toutefois, si on le désire, prévoir une source lumineuse complémentaire 16 éclairant la zone centrale visée de manière à augmenter l'intensité du rayonnement reçu par la cellule 7. On va maintenant décrire à titre illustratif les opérations liminaires qu'il convient de faire avant la mise en oeuvre véritable du procédé conforme à l'invention. Ces opérations consistent à déterminer préalablement la grandeur de consigne représentative de l'intensité désirée pour le rayonnement du ménisque. Autrement dit il s'agit d'établir une courbe d'étalonnage du circuit de régulation, repre- sentant la corrélation existante entre l'intensité du rayonnement émis par la partie centrale du ménisque et les caractéflstiques structurales désirées pour produit final obtenu par la coule. Ainsi, si l'on desire contrôler la qualité de peau du lingot, on traduit cette dernière par un critere chiffré allant par exemple de un à dix dans le sens d'une amélioration de la qualite de peau et l'on construira experimenta- lement une courbe dont chaque point représente, pour une valeur déterminée de ce critère,l'intensité lumineuse émise par la partie visée du ménisque. On procédera de même pour une autre caractéristique structurale du lingot, par exemple la présence d'une zone de ségrégation negative.Des lors, il est pos- sible de déterminer un domaine de valeurs permises pour l'intensité lumineuse rayonnée correspondant dans le cas décrit à un bon compromis entre une peau saine et l'absence d'une zone de ségrégation négative. L'operateur choisira alors une valeur moyenne dans ce domaine et aura déterminé de ce fait la grandeur de consigne. On a donné ici que des exemples montrant l'intérêt du procede selon 1 'in- vention et il est bien entendu qu'il peut s'étendre au contrôle de nombreuses autres caractéristiques structurales du lingot à condition, bien sûr, que lesdites caractéristiques dépendent de la mise en rotation du metal lors de la coulée. Il doit être noté que la présente invention est d'application générale a toute installation de coulée centrifuge, continue ou non, mécanique ou électromagnétique. En effet, le seul caractère restrictif réside dans la condition impérative de présence, , sur la surface du bain, de produits liquides ou solides de pouvoir émissif différents de celui du métal coulé.Comme on a déjà pu s'en rendre compte lesdits produits ne sont pas limités à la phase d'oxydes constituant les crasses et laitiers et il est possible de ce fait de mettre en oeuvre la présente invention également dans des opérations de coulée centrifuge s'effectuant sous atmosphère réductrice ou neutre dans la mesure bien entendu oû l'on introduit intentionnellement un produit quelconque présentant les caractéristiques énoncées cidessus. il va de soi que l'invention n'est nullement limite au mode de réalisation décrit précédemment et que toute variante d'exécution fondée sur l'application du principe de la différence de pouvoir'émissif entre le metal et la phase d'oxydes surnageant sur le ménisque pour le contrôle et la régulation de l'in tensité du mouvement de rotation du métal, doit être consideré comme un simple équivalent entrant dans le cadre de la présente invention. il en est ainsi par exemple des operations consistant à viser une zone autre que la partie centrale du ménisque et d'évaluer les variations de la surface de crasses dans cette zone en fonction de l'intensité du mouvement de rotation du métal coule. REVENDICATIONS 1 - Procédé de contrôle et de réglage de l'intensité du mouvement de rotation de produits métalliques dans une lingotière de couvée continue centrifuge caractérisée en ce que - on introduit le métal liquide dans la lingotière par un jet disposé à un endroit intermediaire entre l'axe central et les parois de la lingotière, - on vise une partie centrale du ménisque de métal liquide non affectée par le jet d'introduction, - on élabore un signal correspondant à l'intensité de la lumiere rayonnée par ladite partie centrale du ménisque, - on compare ledit signal à une grandeur de consigne représentant une quantité désirée de lumière rayonnée et on elabore un signal d'ecart correspondant aux variations éventuelles de la quantite de lumière rayonnée, - on agit sur les moyens de mise en rotation du métal dans la lingotière de manière à ramener ledit signal d'ecart à une valeur sensiblement nulle. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on éclaire ladite partie centrale du menisque par une source lumineuse. 3 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procedé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens pour introduire le metal liquide dans la lingotière sous la forme d'un jet disposé à un endroit intermédiaire entre l'axe et les parois de la lingotière, - des moyens pour mesurer la quantite de lumière rayonnée par une partie centrale prédéterminée du ménisque et pour élaborer un signal représentatif de ladite mesure, - des moyens pour fournir une grandeur de consigne correspondant à une quantité désirée de lumière rayonnee, - des moyens pour comparer la quantité de lumière mesurée et la quantité de lumière désirée et pour élaborer un signal d'ecart représentatif de ladite comparaison, - des moyens pour agir sur l'intensité du mouvement de rotation du metal dans la lingotière, lesdits moyens étant mis en service par le signal d'écart. 4 - Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en oe que les moyens de visée de la partie centrale du ménisque sont constitués par une cellule pho toél ectri que. 5 - Dispositif selon la revendication 3 caracterise en ce que des moyens sont prévus pour éclairer ladite partie centrale.