Brevet FR2352430A1 — publié le 19771216

La présente invention a trait à des perfectionnements aux dispositifs électromagnétiques de mise en mouvement de métaux liquides, et plus particulierement aux dispositifs de brassage électromagnétique à champ glissant de l'acier en fusion au sein d'une lingotière, de coulée continue. Les dispositifs électromagnétiques de mise en mouvement de métaux liquides du type considéré sont des stators de,moteurs linéaires à induction, de structure tubulaire. De façon très schématique on peut les reconstituer à partir de moteurs asynchrones rotatifs par développement plan selon une génératrice paral lèle à l'axe principal de rotation puis par enroulement cylindrique selon une génératrice perpendiculaire à cet axe principal. Lorsqu'ils sont reliés de façon appropriee à une alimentation électrique polyphasée, ils créent dans leur entrefer une onde de flux magnétique qui se propage selon une direction parallèle à leur axe.Si leur entrefer contient alors un produit métallique solide ou liquide tel qu'un métal en fusion, l'onde de flux magnétique crée dans celui-ci des courants electriques induits qui, en interagissant à leur tour avec le champ magnétique qui leur a donné naissance, confèrent au métal (selon la loi de Laplace) une poussée électromagnétique dans le sens de propagation de l'onde de flux. De tels dispositifs trouvent de nombreuses applications industrielles en particulier pour le transport de métaux liquides ; on les désigne alors par "pompes électromagnétiques", (brevet français n" 1.340.324) ou pour la mise en mouvement d'une masse de métal en fusion sans transfert global de celle-ci et on les désigne alors généralement par "brasseurs électromagnetiques". Ce dernier type d'utilisation est particulièrement bien approprié au traitement métallurgique de l'acier en fusion en lingotière lors des opérations de coulée continue. Dans ce domaine technique particulier, on cherche généralement à améliorer la qualité des produits obtenus bruts de coulée Au niveau de la lingotière, un tel problème se pose surtout en termes de propreté inclusionnaire sous cutanée. On sait que l'importante concentration d'inclusions non-métalliques dans les premiers millimètres de peau solidifiée peut être favorablementinfluencée par des mouvements de convection qui se développent au sein du mental liquide en lingotière. Un effet favorable est principalement obtenu lorsque ces mouvements sont suffisamment puissants et bien orientés pour laver efficacement le front de solidification de maniere à occasionner une répartition plus régulière des inclusions dans la masse du produit. Il est connu de pouvoir contrôler et intensifier de tels mouvements en soumettant le metal liquide à l'action de champs magnétiques glissants le long des parois de la lingotière, de préférence dans le sens ascentionnel de manière à favoriser une décantation rapide des inclusions à la surface libre du métal où elles pourront être éliminées en grande partie, soit par piegeage par l'opérateur (coulee dite "en jet libre") soit par absorption par une poudre de couverture appropriée (coulée dite en busette immergée"). Pour ce faire, il est connu, comme le montre la demande de brevet n" 73/37514 déposée au nom de la demanderesse, d'aménager la chambre à eau supe- rieure de la lingotière pour recevoir un inducteur électromagnétique tubulaire entourant le produit coulé et constitué d'un empilage régulier de bobines cylindriques identiques. Ces bobines sont reliées à une alimentation électrique polyphasée de manière à générer à l'intérieur de l'inducteur un champ magnétique glissant le long des parois de la lingotiere. Les premiers essais métallurgiques effectués par le demandeur ont conduit à des résultats positifs et suffisamment prometteurs-pour l'inciter à poursuivre ses investigations dans le sens d'une augmentation de l'intensité des effets recherches. Ainsi, le demandeur a réussi à réaliser des perfectionnements permettant d'améliorer l'état de fonctionnement de l'inducteur électromagnétique. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif electromagnétique tubulaire de mise en mouvement de produits métalliques, constitué par un empilage régulier de bobines cylindriques reliees à une alimentation électrique polyphasée de manière à générer dans l'entrefer des bobines une onde de flux magnétique se propageant selon une direction parallèle à l'axe de l'empilage, caractérisé par la présence, entre les bobines et aux deux extrémités de 1 'empi- lage, de cales annulaires ferromagnétiques et par la présence, à l'extérieur des bobines, d'une enveloppe tubulaire ferromagnétique entourant lesdites bobines et maintenue en position par les cales disposées aux deux extrémités dudit dispositif. Selon une caractéristique avantageuse, les cales annulaires ferromagnétiques sont conformes en rondelles occupant substantiellement tout l'espace disponible entre deux bobines successives. Selon une variante preférée, les rondelles annulaires ferromagnétiques insérées entre les bobines s'étendent extérieurement de manière à venir en contact direct avec l'enveloppe tubulaire. L'invention a également pour objet une lingotière de coulee continue de metaux en fusion équipée dans sa chambre supérieure à eau de refroidissement d'un inducteur électromagnétique conforme à l'invention caractérisée en ce que l'enveloppe tubulaire extérieure est ajourée pour permettre une circulation de l'eau de refroidissement en contact direct avec les bobines et en ce que, dans le cas de la variante préférée précitée, la partie des rondelles s'étendant à l'extérieur des bobines est également ajourée de manière à permettre une circulation de l'eau de refroidissement entre deux bobines successives. Selon une caractéristique avantageuse, la lingotiere équipée dans sa chambre supérieure à eau de refroidissement d'un inducteur électromagnétique conforme à l'invention est caractérisée en ce que ses éléments constituants, directement en contact avec une partie ferromagnétique quelconque dudit inducteur, soient en materiau amagnétique. Comme on aura déjà pu s'en rendre compte, l'invention, dans ses caractéristiques fondamentales, présente deux dispositions distinctes et complementaires. L'une sur le plan de l'électromagnétisme, vise a améliorer le rendement de l'inducteur en optimisant le circuit extérieur de retour des lignes de champ magnétique, de manière à réduire d'une part les pertes de flux aux extrémités de l'inducteur et a augmenter d'autre part l'intensité du champ magnetique à l'intérieur de l'entrefer sans avoir à modifier les paramètres électriques tels que le nombre d'ampere-tour des bobinages. L'autre, sur le plan métallurgique, lors de l'application de l'inducteur conforme à l'invention à une lingotière de coulée continue, vise d'une part a adapter celui-ci de maniere à assurer de bons changes thermiques entre les bobinages et l'eau primaire de refroidissement de la lingotière sans perturber en aucune façon le processus de refroidissement de la lingotière elle-même et d'autre part à adapter la lingotière de manière à ne pas perturber le circuit de retour des lignes de champ magnétique propre à l'inducteur. L'invention sera mieux comprise et d'autres aspects et avantages ressortiront plus clairement au vu de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles : - la figure 1 illustre schematiquement une section longitudinale d'un inducteur tubulaire de type connu et des lignes de champ correspondant à deux instants différents lors de la propagation de l'onde de flux magnétique (la et lob) , - la figure 2 illustre schématiquement une section longitudinale de l'inducteur conforme à l'invention et des lignes de champ correspondant au même instant que celui de la figure lb ; ; - la figure 3 montre les variations de l'induction magnétique dans l'entrefer en fonction de l'intensité du courant dans les bobines pour un inducteur donne respectivement muni (courbe a) et démuni (courbe b) des caractéristiques de l'invention ; - la figure 4 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'une lingotière de coulee continue équipée d'un inducteur électromagnétique conforme à l'invention. Le dispositif de brassage selon les exemples représentés sur les figures 1 et 2 est constitué par-un empilage de 6 bobines I, J, K, I', J', K', (fig. la) connectees par paire en série opposition et reliées aux trois bornes d'une alimentation électrique triphasée. Lorsque les bobines sont parcourues par des courants alternatifs déphasés dans le temps de 1/6 de périodes pour deux bobines consécutives, ce qui revient à dire que les bobines I', J', K' sont respectivement les retours des bobines I, J et K, il se produit dans l'entrefer (désigné sur les figures par "Zone A") une onde de flux magnétique mobile dans la direction verticale et dont le pas polaire T dépend du nombre de pôles répartis sur la hauteur du bobinage. Les lignes d'induction, du fait de la symétrie axiale, restent dans des plans verticaux passant par l'axe de l'inducteur et forment dans chacun de ces plans des boucles encerclant au maximum trois bobines consécutives comme le montrent les figures la et lb. Les flèches indiquent le sens conventionnel du vecteur induction magnétique : d'un pôle Nord N vers un pôle Sud S a l'intérieur de l'entrefer (zone A) et inversement à l'extérieur des bobines (zone B). Les lignes d'induction tranversent donc en permanence les bobines et vont se refermer assez loin à l'extérieur, dans la zone référencée B correspondant dans notre cas à un milieu de faible perméabilité magnétique, par exemple de l'air. Cet état de chose est défavorable au bon fonctionnement de l'inducteur et conduit à un affaiblissement de l'énergie électromagnétique disponible dans la zone utile A qui est celle de l'entrefer. La présente invention vise précisément à localiser au maximum dans l'entrefer l'énergie électromagnétique disponible. A cet effet, l'une de ses caractéristiques essentielles consiste à canaliser au mieux le retour extérieur du flux magnétique en insérant, comme le montre la figure 2, les bobines dans une structure métallique ferromagnétique constituée : - d'une part par des cales annulaires disposées aux extrémités de l'inducteur (1,7) et entre les bobines (2, 3, 4, 5, 6) ; - d'autre part par une enveloppe tubulaire 8 encerclant les bobines et solidarisée à ses extrémites supérieure et inferieure respectivement aux cales 1 et 7. Dans l'exemple décrit sur la figure 2, les cales annulaires disposées entre les bobines sont conformées en rondelles occupant substantiellement tout l'espace entre les bobines et s'étendent extérieurement jusqu'à venir en contact avec l'enveloppe 8. Ceci permet une meilleure fermeture du circuit magnétique mais bien entendu ne constitue en rien une caractéristique indispensable de 1 'inven- tion. Sur la figure 2 on a également représenté le parcours de lignes d'induction en présence de la structure métallique ferromagnétique. On constate l 'influence bénéfique de celle-ci en ce sens qu'elle favorise un passage des lignes d'induction entre les bobines et limite leur extension à l'extérieur.En raison de sa grande perméabilité magnetique, on peut montrer grâce au théorème d'Ampère que le champ magnétique, donc l'induction magnétique, est augmenté dans l'entrefer et ceci sans modifier le nombre d'ampere-tours des bobines, c'est-àdire pour un ensemble donné de bobines, sans modifier l'intensité du courant électrique d'excitation. Cet etat de chose est representé de façon quantitative sur la figure 3 montrant les variations de l'induction magnétique radiale efficace Br, au voisinage de la paroi intérieure des bobines en fonction de l'intensité efficace Ieff pour un inducteur respectivement pourvu (courbe a) et depourvu (courbe b) d'une structure métallique ferromagnétique conforme à l'invention. La fréquence du courant est de 10 Hz.On constate ainsi, par exemple à 180 Aeff un gain d'environ 33 Gauss en faveur de l'inducteur conforme à l'invention, ce qui correspond à un taux d'augmentation très appréciable d'environ 25 %. On a représente schématiquement sur la figure 4 une lingotiere 9 de coulée continue de billettes carrées équipée d'un inducteur électromagnétique 10. On voit que le dispositif comprend un élément tubulaire interne 11 définissant la section du produit coulé et refroidi sensiblement sur toute sa longueur par un courant forcé d'eau de refroidissement circulant à vitesse élevée dans un espace annulaire 12 de faible largeur généralement dénommé "water jacket". L'élément tubulaire Il est constitue de préférence en matériau présentant à la fois une bonne tenue mécanique, une grande conductibilité calorifique et une conductibilité électrique aussi basse que possible, par exemple un alliage de cuivre et de béryllium. La chemise externe 13 delimitant l'espace de circulation de l'eau 12 peut être constituée en ce même matériau ou également en un alliage amagnétique tel que de l'acier inoxydable amagnétique. L'eau de refroidissement est respectivement introduite et évacuée de l'espace annulaire 12 par une chambre d'introduction 14 et une chambre d'evacuation 15 séparées entre elles par un joint d'étanchéité 16 et limites latéralement par une virole 23 appelée "corps de lingotière". La chambre d'introduction 14 se trouve obturée à sa partie inférieure par une plaque de fond 17. La chambre d'évacuation 15 est limitée à sa partie supérieure par un couvercle 18. Un inducteur électromagnétique 10 est immergé dans la chambre d'evacuation 15. Sa structure générale est similaire à celle représentée sur la figure 2. il s'en distingue toutefois par les caractéristiques suivantes - l'enveloppe tubulaire ferromagnétique 8 entourant les 6 bobines I, J, K, I', J', K' est ajourée (orifices 9) de manière à limiter l'échauffement de l'inducteur en permettant une circulation de l'eau de refroidissement directement contre la paroi extérieure des bobines. Dans le cas d'espèce considéré les orifices des passages 20 ont un rayon de 1 cm et chaque orifice possède 4 plus proches voisins distants de 7 cm. - de même, l'extension périphérique 21 des cales annulaires ferromagnétiques 2, 3, 4, 5 et 6 insérées entre les bobines est également ajourée de maniere à permettre une circulation de l'eau de refroidissement entre chaque espace annulaire 22 confiné latéralement par l'enveloppe 8 et par la paroi extérieure des bobines. Comme on le comprend aisément, la structure ajourée de ces pièces ne sera particulièrement avantageuse que dans le cas où, comme le décrit l'exemple de la figure, les cales annulaires s'étendent extérieurement jusqu'à venir en contact direct avec l'enveloppe 8. Les cales annulaires ferromagnétiques d'extrémité 1 et 7 peuvent bien entendu être egalement ajourées. Dans l'exemple décrit, les cales ferromagnetiques sont conformées en rondelles de 8 mm d'épaisseur. L'enveloppe ajourée 8 présente, elle, une épaisseur de 3 mm. Chaque bobine est constituée par un enroulement de 52 spires en cuivre gainées d'isolement représentant une hauteur de 72 mm. Les bobines sont reliées aux bornes d'une alimentation électrique triphasee par l'intermédiaire d'un bottier de raccordement étanche 24. Afin de ne pas perturber le chemin de parcours du retour du flux magnétique par la carcasse ferromagnétique propre à l'inducteur, tous les éléments métalliques de la lingotiere directement en contact avec une partie quelconque de ce dernier sont de préférence constitués en matériau amagnétique, par exemple en acier inoxydable amagnétique. A savoir - le joint d'étanchéité 16 séparant les deux chambres superposées 14 et 15, - la bague de centrage 25 de l'inducteur, ajourée pour permettre l'arrivée de l'eau primaire de refroidissement dans un espace annulaire 26 confiné latera- lement par le corps de lingotière 23 et l'enveloppe 8 et à partir duquel s'évacue l'eau de refroidissement par une conduite 27. Le dispositif peut présenter de nombreuses variantes de réalisation sans sortir de la présente invention. En particulier, le nombre de bobines ainsi que le nombre de phases de l'alimentation électrique indiqués dans les exemples précédents n'est nullement limitatif. De même on pourra faire varier à volonté le nombre, la dimension et la repartition des orifices ménagés sur l'enveloppe ferromagnétique et sur les rondelles annulaires sans pour autant sortir du cadre défini par la présente invention. REVENDICATIONS 1 - Dispositif tubulaire électrorragnétique pour la mise en mouvement de produits métalliques constitué par un empilage régulier de bobines cylindriques relies à une alimentation électrique polyphasée de manière à générer dans l'entrefer des bobines une onde de flux magnétique se propageant selon une direction parallèle à l'axe de l'empilage, caractérisé - par la présence entre les bobines et aux deux extrémités de l'empilage de cales annulaires en matériau ferromagnétique - et par la présence à l'extérieur des bobines d'une enveloppe tubulaire en matériau ferromagnétique entourant lesdites bobines et maintenue en position par les cales disposees aux deux extrémités de l'empilage. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les cales annulaires ferromagnétiques sont conformées en rondelles occupant substantiellement tout l'espace disponible entre deux bobines successives. 3 - Dispositif selon lvre des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les cales annulaires s 'étendent extérieurement de manière à venir en contact direct avec la paroi interne de l'enveloppe tubulaire. 4 - Lingotière de coulée continue de metaux en fusion équipée dans sa chambre à eau supérieure d'un inducteur électromagnétique constitue par un empilage régulier de bobines cylindriques identiques reliées à une alimentation électrique polyphasée de manière à générer dans l'entrefer des bobines une onde de flux magnétique se propageant le long des parois de la lingotière, caractérisée en ce que - des cales annulaires en matériau ferromagnétique sont disposees entre les bobines et aux deux extrémites de l'empilage ;; - une enveloppe tubulaire en materiau ferromagnétique entoure lesdites bobines et est maintenue en position par les cales disposées aux deux extremites de l'empilage, en ce que ladite enveloppe tubulaire est ajourée de manière à permettre une circulation de l'eau de refroidissement de la lingotière en contact direct avec les bobines. 5 - Lingotiere de coulée continue selon la revendication 4 caractérisée en ce que les cales annulaires sont conformées en rondelles s'étendant extérieuriment aux bobines jusqu'à venir en contact direct avec la paroi interne de I 'enveloppe tubulaire. 6 - Lingotiere de coulée continue selon la revendication 5 caractérisée en ce que le prolongement extérieur des cales annulaires est ajouré de manière à permettre une circulation de l'eau de refroidissement entre deux bobines successives. 7 - Lingotière selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisée en ce que tous ses éléments constituants directement en contact avec une partie quelconque de l'inducteur sont en matériau amagnétique.