Brevet FR2335285A1 — publié le 19770715

L'inventinn concerne la coulée continue de billettes rondes d'acier calmé dont la peau présente les caractéristiques des aciers effervescents, coulée au cours de laquelle on effectue un brassage en lingotière, généralement à l'aide d'un champ magnétique tournant. habituellement produit par un inducteur polyphasé placé à proximité immédiate du produit coulé. Les lingots d'acier effervescent, bien que treks ségrégés à coeur, sont sou- vent recherchés, pour certaines applications, à cause de la grande pureté de leur peau. Ils conviennent particulièrement bien pour la fabrication des produits laminés à froid et de pièces nécessitant une finition superficielle tello que l'émaillage et l'étamage. Des tentatives pour couler de tels aciers en continu cnt déjà été effectuées mais sans donner de résultats permettant de développer industriellement cette technique.En effet l'effervescence provoque des fluctuations du niveau de métal liquide dans 13 lingotière, tre gênantes pour une alimentation continue, et pouvant même, avec une lingotière courte, aller usqu'au débordement. D'autre part, pour que la coulée continue reste économique, il faut solidifier partiellement et extraire le lingot avant tue tout l'oxygène ait réagi avec le carbone, en risquant ainsi une formation d'inclusions par oxydation des éléments d'alliage, La présente invention a pour but la fabrication en continu de lingots un la qualité de peau soit similaire à celle qu'on pourrait obtenir c à par--ir d'un acier effervescent et donc convenant aussi bien, pour les memes applications, que les lingots d'acier effervescent. A cet effet l'invention a pour objet un procédé de coulée continue centri- fuge de lingots ronds d'acier calmé caractéris en ce que, dans le but d'obtenir une qualité de peau similaire à celle des lingots d'acier effervescent, on impose une vitesse de rotation relative, autour de l'axe de la lingotière. de la croute métallique déjà solidifiée par rapport à la masse d'acier liquide commençant à se solidifier, d'au moins 2SG tours/mn, du moins au voisinage du front de solidification.Ge préférence la lingotière est fixe et l'acier liquide est mis en rotation au moyen d'un champ magnétique tournant, sensiblement perpendiculaire à l'axe de la lingotière. Ce champ peut en particulier etre produit par un inducteur statique polyphasé placé à proximité immédiate du produit coulé et alimenté par un courant électrique polyphasé dont l'intensité est réglée pour obtenir une valeur de l'induction magnétique dans la lingotière au moins égale celle calculée par la formule Bo #N = 7000 avec :: Bo = induction magnétique dans la lingotière exprimée en Gauss N = fréquence du courant d'alimentation exprimés en Hertz. L'inducteur peut être du type à pôles saillants dans ce cas la fréquence du courant d'alimentation devre être suffisamment élevée pour que le chamy: o3- nétique tournant présente une fréquence de coupures au moins égale à 200 tours/ minute. L'invention a également pour objet le- lingots ronds d'acier calmé obtenus par ce procéda. Comme on le comprend, le procédé selon l'invention permet de fabriquer, partir d'acier calmé des lingots dont la peau présente des phénon'.nes de ségré- gation négative en éléments d'addition, et en particulier en soufre, ''un dogr comparable à ceux obtenus lors de la solidification d'aciers effervescents. qui cette ségrégation n native n'est vraiment tros sensible que dans une faibl partie de la section de la billette, puisque celle-ci est extraite de la lingo- tière alors que seule une mince couche de métal est solidifiée.L'influence du brasage effectué à l'intérieur de la lingotière se fait certes sentir sur le structure de solidification de la billette entière, lui donnant en particulier uns absence de défauts à coeur, mais la concentration en éléments d'addition varie moins que si le brassage était poursuivi pendant toute la durée de la solidification. Les lingots coulés par le procédé selon l'invention ont donc une peau aussi pure que s'ils provenaient de la solidif-cation d'un acier effervescent, et ont de plus, une ségrégation à codeur moins importante. Ils possèdent tous les avantages de l'acier effervescent sans en présenter tous les défauts et ont de plus tous les avantages économiques inhérents à la coulée continue. Lors de la solidification deys aciers effervescents il se produit un déga gement gazeux intense, correspondant à la formation d'oxyde de carbone, provenant de la réaction avec le carbone de l'oxygène dissous dans l'acier liquide. Les bulles gazeuses créent un brassage intense du métal encore liquide et provoquent au voisinage du front de solidification une diminution de l'épaisseur de la couche de diffusion. La concentration en éléments d'alliages au sein du liquide devient alors pratiquement égale à la concentration de ces mêmes éléments au front de solidification et le solide formé dans ces conditions est d'une grande pureté. On a déjà constaté que les aciers calmés coulés en continu et brassés à l'aide de champs électromagnétiques glissants présentaient des phénomènes de ségrégation négative analogues à ceux décrits pour les aciers effervescents, quoique moins marqués. Cela n'a rien d'étonnant puisque dans les deux cas les mouvements produits dans l'acier liquide le long du front de soli dification sont identiques (mouvements de convection verticaux). Par contre, en coulée continue centrifuge mécanique, où le mouvement imprimé au métal liquide est circulaire, et non longitudinal, de tels résultats n'ont encore jamais été obtenus. Or les travaux du demandeur lui ont permis de déterminer une vitesse an--o- laire limite relative de rotation du métal liquide par rapport à la croute solidifiée au delà de laquelle les lingots coulés à partir d'acier calmé avaient une peau d'acier effervescent. Cette vitesse est de deux cents toursininute I1 s'agit bien'd'une vitesse relative, et pour obtenir des lingots selon l'invention, elle doit entre atteinte aussi bien lorsque la croute solidifiée et le métal liquide sont tous deux animés d'un mouvement de rotation, que lorsque l'un des deux est immobile par rapport à l'autre.Cette vitesse peut aussi bien etre obtenue par des moyens mécaniques que magnétiques ou que par une combinaison des deux. Lorsque la rotation est assurée à l'aide d'un champ électromagnétique la croute-solidifiée reste immobile, c'est donc le métal liquide qui doit avoir, du moins au voisinage du front de solidification, une vitesse inférieure ou égale à 200 tours minute. Lorsque c'est la lingotière qui est mise en rotation par des moyens mécaniques, ia croute solidifiée et le métal liquide sont tous deux animés d'un mouvement de rotation, il faut alors que la difference des vitesses soit au moins égale à 200 tours minute.Dans le cas de mise en rotation mécanique on peut également envisager l'emploi d'un champ magnétiquefixequi freine le métal liquide, pouvant même amener la vitesse propre de ce dernier jusqu'à une valeur sensiblement nulle. Il suffit alors que la vitesse de rotation de la croute solidifiée, entraînée avec la lingotière, soit au moins égale à 200 tours/minute. Dans le cas où la rotation du métal liquide est assurée par des moyens électromagnétiques, dont l'usage tend à se répandre de plus en plus dans la technique considérée. on peut définir une valeur limite de l'induction mesurée à l'intérieur de la lingotière. En effet le demandeur a déterminé par le calcul que la vitesse de rotation du métal liquide et l'induction efficace sont liées par la relation suivante qui tient implicitement compte du couple résistant de l'acier : #o = #' ## Bo ## B'O avec : #o = vitesse de rotation du métal liquide = = induction à l'intérieur de la lingotière X = pulsation du courant d'alimentation a '. B' st. sont des valeurs de référence. o O Ce calcul a été fait sur un modèle simplifié, en considérant un inducteur infini et en ne tenant pas compte des harmoniques spaciales du champ magnétique, c'est à dire, par exemple,en considérant un inducteur électromagnétique à poles repas tis.Pour avoir des résultats se rapprochant assez bien de la réalité, incluant le cas des inducteurs à pôles saillants, le demandeur a d'autre part ajusté les paramètres oo , ' et BO à des valeurs obtenues expérimentalement avec un inducteur biphasé à 1 paire de pôles saillants par phase Ainsi pour #'0 = 100 tours/minute on a X = 27,7 rad/s et 'o = 1t44 Gauss d'où la relation no = 2,9 10-2 Bo #N N étant la fréquence du courant d'alimentation exprimée en Hertz Bo étant exprimé on Gauss etno en tours/minute. Donc pour que la vitesse de rotation du métal liquide soit supérieure à 200 tours/minute il faut que l'induction mesurée dans la lingotière soit supérieure à la valeur calculée à l'aide de la formule Bo FN = 7000 Ces calculs ont été effectués en considérant que l'inducteur comporte une paire de pôles par phase, ce qui est le cas le plus courant, mais on pourrait facilement généraliser en sachant quelorsqu'il y a plusieurs paires de polos par phase la fréquence de rotation du champ tournant est liée à la fréquence du courant d'alimentation par la relation N p f = fréquence de rotation du champ magnétique p = nombre de paires de poles par phase. D'autre part Bo est l'induction mesurée à l'intérieur de la lingotière, elle correspond à une induction à vide, c'est-à-dire au niveau de l'inducteur. beaucoup plus importante. Pour se ramener à cette dernière valeur il faut tenir compte de l'atténuation du champ dans les différents milieux traversés, depuis l'inducteur jusqu'à l'acier liquide. I1 s'agit alors de résoudre un système d'équations différentielles, dépendant de la géométrie du système, et directement issu des équations de Maxwell. C'est un calcul classique que l'électrotechnicien saura facilement effectuer dans chaque cas particulier. Bien entendu la vitesse de rotation du métal ne peut être supérieure à la vitesse de rotation du champ magnétique. Celle-ci devra donc être au moins égale à 200 tours/minute, soit 3ss33 Hertz. Dans le cas d'un inducteur à pôles répartis, les harmoniques d'espace du champ magnétique n'existent pas et la vitesse de rotation du champ est simplement reliée à la fréquence du courant d'alimentation selon la relation f = N p où f représente la fréquence de rotation du champ (en Hertz] N représente la fréquence du courant d'alimentation ten Hertz) p représente le nombre de paire de pôles par phase. La fréquence minimale du courant d'alimentation devra donc au moins être égale à Nmini = 3X33 p. En particulier, dans le cas d'un inducteur à 1 paire de pôles par phase, p = 1, il en résulte que la fréquence du courant d'alimentation ne peut être inférieure à 3 > 33 Hertz. Dans le cas d'un inducteur à polos saillants, il faudra en plus tenir compte de la presence d'hamoniques d'espaces du champ dont certaines tournent dans le sens contraire de la composante fondamentale du champ. Le phénomène physique qui en résulte correspond à une vitesse de rotation a du champ inférieure à celle définie précédemment dans le cas d'un inducteur à pôles répartis (et qui est la fréquence fondamentale). Cette vitesse n est généralement appelée vitesse de pseudo-synchronisme, ou traduite en termes de fréquence,se denomne "fréquence de coupure du système". Cette fréquence de coupure dépend linéairement de la fréquence fondamentale f du champ, elle mime directement reliée à la fréquence N du courant d'alimenta N tion comme le montre la relation précédente f = N , et d'une fonction tenant p compte des différents couples de démarrage relatiEsà chaque harmonique, et dépendant essentiellement de la géométrie du système. Bien entendu. pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, il sera nécessaire de choisir une fré- quence du courant d'alimentation suffisamment élevée de manière à ce que la fréquence de coupure du système en soit au moins égale à 3 > S3 Hertz. L3 encore il s'agit de calculs tout à fait classiques. Par exemple, pour un inducteur biphasé à 1 paire de poles par phase (polios saillants) présentant des ouvertures angulaires polaires de # des ouvertures angulaires interpolaires de + , la fréquence de coupure de 3,33 Hertz du champ magnétique est atteinte pour une fréquence fondamentale de 5 Hertz du courant d'alimentation, fréquence au-dessous de laquelle on ne pourra pas atteindre une vitesse de rotation de 200 tours/minute pour le métal liquide. Le procédé selon l'invention trouve son application dans le domaine de la fabrication de tous les produits où une grande purete de peau est souhaitable et qui étaient jusque là réservés aux aciers effervescents. vG-'JENDlCATIONG 1 - Procédé de coulée continue centrifuge Je lingots ronds d'acier calme caractérisé en ce que, dans le but d'obtenir une qualité de peau similaire à celle des lingots d'acier effervescent, on impose une vitesse de rotation rela- tive autour de l'axe de la lingotière, de la croute métallique déjà solidifiée par rapport à la masse d'acier liquide commençant à se solidifier, d'au moins 200 tours/mn, du moins au voisinage du front de solidification. 2 - Procédé de coulée continue centrifuge selon la revendication 1 caractérisé en ce que, la lingotière étant fixe la rotation de l'acier liquide est obtenue au moyen d'un champ magnétique sensiblement perpendiculaire à l'axe de la lingotière et tournant autour dudit axe avec une vitesse augulaire d'au moins 200 t/mn. 3 - Procédé de coulée continue centrifuge selon la revendication 2 caractérisé en ce que le champ magnétique tournant est produit par un inducteur statique polyphasé placé à proximité immédiate du produit coulé dans la lingotière et alimenté par un courant électrique polyphasé dont l'intensité est réglée pour obtenir une valeur de l'induction magnétique dans la lingotière, au moins égale à celle calculée par la formule Bo X W; = 7000 où BD représente l'induction magnétique dans la lingotière, exprimé en Gauss, et N représente la fréquence du courant d'alimentation exprimée en Hertz. 4 - Procédé de coulée continue centrifuge selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit inducteur est un inducteur à poles saillants et en ce que la fréquence du courant d'alimentation est suffisamment élevée de sorte que le champ magnétique tournant présente une fréquence de coupure au moins égale à 200 t/mn. 5 - Lingot rond d'acier calmé obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.