Brevet FR2409808A1 — publié le 19790622

La présente invention a trait a l'élaboration des metaux, notamment de l'acier. Elle concerne plus particulierement le domaine de la coulée continue électrorotative de barres métalliques au moyen d'un champ magnétique tournant autour de l'axe de coulée et agissant dans la zone de refroidissement secondaire de l'installation de coule. On sait depuis longtemps que la qualité des barres d'acier obtenues par coulée continue est améliorée si l'on confère, en cours de coulée, un mouvement de rotation au métal liquide autour de son axe. On sait egalement que cette mise en rotation peut être obtenue par voie électromagnétique, c'est-à-dire au moyen d'un champ magnétique orienté perpendiculairement à l'axe de coulée et tournant autour de ce dernier. On désigne habituellement cette méthode sous le vocable générique : "coulée continue électrorotative". Le champ magnetique est généralement crée par un inducteur statique polyphasé, place à proximité immédiate du produit coulé et constituant le stator d'un moteur a induction asynchrone dont le métal liquide représente le rotor. On a ainsi pu montrer que, même l-imitée a la longueur de l'entrefer de l'inducteur (habituellement voisine de 1 m), l'action électromagnétique conduit a une amélioration substantielle de la qualité des produits. Par ailleurs, il apparaît que cette amélioration varie avec la localisation de cette action sur la hauteur métallurgique. Le brevet français n" 2.236.584 (IRSID) enseigne par exemple que l'inducteur est placé, dans la zone de refroidissement secondaire d'une installation de coulée continue de barres d'acier, a un endroit correspondant approximativement a la moitie de la hauteur métallurgique, et plus précisément a l'endroit où les valeurs respectives de l'épaisseur de la croûte solidifiée et la demiépaisseur de la barre se trouvent dans un rapport voisin de 1/te. Une telle disposition permet d'interrompre prématurément une solidification de type basaltique au profit d'une large zone centrale de solidification equiaxe plus fine et plus compacte, dont les effets favorables sur la santéinterne des produits sont bien connus, a savoir notamment une diminution appréciable des phénomènes de ségrégation interne et de porosité axiale. Le brevet français nO 2.211.305 (CEM) donne une description detaillée d'un inducteur électromagnétique approprié à un tel usage. Un autre procédé, déjà ancien dans son principe brevet US 2.963.758 (PESTEL) - mais qui a récemment conquis la sanction indus trille sous la dénomination desormais mieux connue de "procédé Magnétogyr", consiste a exercer l'action électromagnétique déjà au niveau de la lingotiere. A cet effet, le brevet français 2.315.344 (IRSID) décrit une lingotière dont le caisson a été adapté pour pouvoir immerger l'inducteur électromagnétique dans la chambre d'évacuation de l'eau de refroidissement primaire. La rotation du métal en lingotière confère à la surface libre de ce dernier une forme concave au centre de laquelle se rassemblent les crasses. Leur passage en peau, entre la lingotiere et le produit, est ainsi empêche. De plus, leur élimination, selon la pratique de pêche habituelle, est grandement facilitée. On retrouve par ce procédé tous les résultats bénéfiques propres au premier procédé évoqué, auxquels se rajoutent d'autres avantages appréciables tant sur le plan de la qualité des produits coulés (amelioration de la propreté de surface et de la propreté inclusionnaire sous-cutanee, etc...) que sur celui de la marche de l'opération de coulée elle-même, à savoir en particulier la possi bilité de couler à vitesse plus elevée et/ou avec un contrôle moins rigoureux de la surchauffe du métal dans le répartiteur. Cependant, les deux procedés prementionnes présentent des inconvénients respectifs dont les plus conséquents peuvent être résumés de la façon suivante L'action d'un inducteur localisé au voisinage de la mi-hauteur métallur- gique reste sans influence notable d'une part sur la proprete de surface des produits obtenus, et d'autre part sur la propreté inclusionnaire sous-cutanée de leur épaisseur solidifiée en amont de l'inducteur dans le sens de coulée. Le procédé "Magnetogyr" par contre, demande un investissement relativement plus important associé à des problèmes technologiques d'adaptation de l'inducteur à la lingotière qui peuvent être parfois assez délicats à resoudre. De plus, le champ magnétique produit s'affaiblit inévitablement avant d'atteindre le métal coulé, notamment en traversant la paroi interne de la lingotiere généralement en cuivre ou en alliage de cuivre. Il en résulte que, pour obtenir au sein du métal une action électromagnétique satisfaisante, il est nécessaire de surdimensionner l'inducteur, ce qui, entre autres, rajoute aux difficultés technologiques éventuelles évoquées ci-dessus. Le but de la presente invention est de proposer une solution nouvelle, intermediaire aux deux procédés précités, de maniere à conserver leurs avantages respectifs tout en évitant leurs inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de coulée continue des métaux selon lequel on confere au métal liquide un mouvement de rotation autour de l'axe de coulée par action d'un champ magnétique tournant autour dudit axe et s'exerçant dans la zone du refroidissement secondaire de l'installation de coule. Le procédé selon l'invention se caractérise en ce qu'on localise l'action du champ magnétique au voisinage immédiat de la sortie de la lingotière. Selon une mise en oeuvre du procédé, on règle l'intensité de l'action du champ magnétique de sorte que la surface libre du métal en lingotière présente un profil similaire à celui obtenu lors de la pratique habituelle consistant a localiser l'action du champ magnetique au niveau de la lingotière. L'invention repose sur les observations et considérations suivantes En premier lieu, le demandeur observe que le premier procédé évoqué cidessus enseigne que l'action électromagnétique produit ses effets bénéfiques là où elle agit. Le demandeur constate ensuite que cet enseignement est corrige, ou plus exactement complété, par celui du procédé "Magnétogyr", lequel révèle que l'action électromagnétique produit ses effets, non seulement à l'endroit où on la crée, mais encoré loin en aval dans le sens d'extraction des produits coulés. A partir de ces observations, les travaux effectues par le demandeur dans le but d'avoir une meilleure connaissance des phénomènes magnétohydrodynamiques au sein du métal en fusion, ont révélé qu'en fait le mouvement de rotation peut se propager au dehors, et de part et d'autre, de la zone de localisation de l'action électromagnétique. Cette propagation s'opere par frottement visqueux au sein du metal liquide ; elle s'atténue donc avec la distance. De plus, elle n'est pas symétrique de part et d'autre de l'inducteur, mais se trouve être nettement favorisée dans le sens d'extraction des produits et défavorisée dans le sens contraire. C'est dans cette disymétrie qu'il faut sans doute voir la raison de la disparité entre les résultats metallurgiques obtenus respectivement par le procédé "Magnetogyr" et par le procédé consistant à localiser l'action électromagnétique sensiblement à mi-hauteur métallurgique, procédé que l'on convient, pour l'allè- gement de l'exposé, de désigner par "Brassage Electro-Magnétique dans le refroidissement secondaire", ou plus simplement par "B.E.M.". On rappelle à cette occasion que l'expression "hauteur métallurgique" exprime, dans le domaine considéré, la distance comprise entre le niveau de la surface libre du métal en lingotière et le niveau où la barre coulée est solidifiée sur toute sa section. Au cours de ses recherches, ayant abouti à la présente invention, le demandeur s'est livré à une étude systématique et approfondie des criteres pour lesquels un résultat metallurgique visé était obtenu. Cette étude a révélé 1./ qu'il existe une hiérarchie dans les résultats metallurgiques recherches en fonction de la difficulté que l'on eprouve à les obtenir. Cette hierarchie est résumée de la manière suivante (dans le sens d'une difficulté croissante indiquée par les flèches) Santé interne + Propreté sous-cutanée ) Proprete de surface Cet ordre signifie que si l'un de ses échelons est satisfait, les échelons situés en amont le sont egalement. Par exemple, si l'on arrive à obtenir une bonne propreté de surface, exempte de défauts tels que piqûres ou incrustations de laitier, implicitement on obtiendra aussi une bonne propreté inclusionnaire sous-cutanee ainsi qu'une bonne santé interne.Par contre, si l'on satisfait au critère de la proprete inclusionnaire sous-cutanée, la santé interne sera nécessairement bonne, mais cela ne préjuge en rien quant à la proprete de surface. 2./ que l'influence de la rotation sur les résultats métallurgiques obtenus dépendent de deux facteurs complémentaires : la localisation de l'action électromagnétique, c'est-a-dire de l'inducteur, d'une part, et l'intensité de cette action d'autre part. Ainsi - pour une position déterminée de l'inducteur, l'augmentation de son action électromagnétique conduit à une amélioration de la qualité des résultats, conformément à l'ordre hierarchique précédemment établi ; - inversement, pour une action électromagnétique donnee, le deplacement de l'inducteur vers le haut de la machine de coulée va, quant aux resultats metallurgiques obtenus, dans le sens de l'ordre hiérarchique précédemment établi. Il résulte de ce qui precède que l'obtention du meilleur résultat, à savoir la proprete de surface, lequel englobe tous les autres, est réalisée avec une action électromagnétique minimale lorsque l'inducteur se trouve le plus haut possible, c'est-à-dire en lingotière, conformement au procédé "Magnétogyr". Corrélativement, le même objectif ne pourra être atteint qu'avec une action electromagnetique maximale, lorsque l'inducteur est situe loin en aval de la lingotiere, à mi-hauteur métallurgique, tel que l'enseigne le procedé B.E.M. Entre ces deux extrêmes, toutes les positions intermédiaires sont possibles, la remontée de l'inducteur allant dans le sens d'une diminution de l'inten sité nécessaire de son action. Il est clair que la puissance de l'inducteur est conditionnée au premier degré par son dimensionnement. Il est également clair qu'un procedé de coulée continue avec mise en rotation électromagnétique du metal liquide sera d'autant mieux accueilli par l'utilisateur que le rapport qualitatif entre la taille de l'inducteur et la puissance électromagnétique qu'il est capable de fournir, sera faible. On comprend, à cet égard, qu'une des positions les plus défavorables pour l'inducteur est celle préconisee par le procéde B.E.M. En effet, d'une part l'expérience montre que l'action électromagnétique telle qu'elle est mise en oeuvre dans ce procedé, demeure sans influence sensible au niveau de la lingo trière, d'autre part, les calculs effectués par le demandeur démontrent qu'il faudrait, à cette fin, développer un niveau d'action tel que le dimensionnement de l'inducteur serait prohibitif, ou tout au moins difficilement compatible avec son installation sur une machine de coulee continue habituelle. On comprend également qu'on soit tenté, a priori, de choisir comme site d'implantation de l'inducteur, la lingotiere elle-même (procédé "Magnétogyr"). Toutefois, on a pu montrer dans les lignes précédentes qu'un tel site n'est pas nécessairement le meilleur, notamment en raison de l'affaissement du champ lors de la traversée de la paroi interne de la lingotière. Conformément à l'invention, une solution de compromis consiste à positionner l'inducteur au voisinage de ltextremite de sortie de la lingotiere, donc ni dans celle-ci ni plus loin en aval, et de préférence immédiatement à sa sortie si les conditions d'encombrement le permettent. De ce fait, on s'affranchit de la gêne procurée, sur le plan électro- magnétique, par la présence de la paroi en cuivre de la lingotiere entre l'inducteur et le métal coulé. Il en résulte en premier lieu un gain sur l'intensité efficace du champ magnétique au sein du métal. Ce gain est appréciable ; les essais ont montré en effet que l'absorption du champ par la paroi en cuivre atteint couramment 20 /30 % du champ créé au niveau de l'inducteur. En second lieu, il n'y a plus d'obstacles à l'augmentation de la fréquence de rotation du champ. Cette dernière étant reliée de façon bien connue à la fréquence du courant électrique d'alimentation, il devient possible d'utiliser des fréquences de courant élevées, notamment 50 Hz, telle que la délivre le réseau électrique. On sait en effet que l'intensité de l'action électromagnétique dépend à la fois de l'intensité efficace du champ et de sa fréquence de rotation. Par ailleurs, en raison de l'aténuation due à la paroi de la lingotière, l'intensité efficace du champ est elle-même inversement proportionnelle à la fréquence de rotation. Il a pu ainsi être mis en évidence une valeur optimale de la fréquence, généralement comprise entre 1 et 20 Hz, qui dépend au premier chef de la conductibilité électrique et de l'épaisseur de la paroi de la lingotière, et audessus de laquelle, l'aténuation devenant prépondérante, l'intensité de l'action electromagnetique décroît. On comprend que l'invention permet de s'affranchir d'une telle contrainte. Conformément à ce qui a été dit, le choix du réglage de l'action électromagnétique est fonction de l'importance du résultat métallurgique désiré. Ce choix est donc du ressort de l'utilisateur. On peut noter à cet egard que si l'on recherche le résultat le meilleur, à savoir la propreté de surface, un moyen simple consiste en une observation visuelle de la surface libre du metal en lingotière. Cette observation permet d'ajuster les paramètres électriques de l'inducteur (intensité et/ou fréquence du courant) de maniere que la surface acquière un profil similaire à celui obtenu lors de la mise en oeuvre du procede Magnétogyr, c'est-à-dire présentant une concavité suffisamment prononcée pour que les crasses se rassemblent dans la partie centrale. A titre informatif, on signale que le procédé Magnétogyr enseigne qu'un tel état de chose est obtenu par une vitesse linéaire de rotation à la périphérie de la surface libre de 0,5 à 0,8 m/s environ. On notera également que le temps de réponse du procédé selon l'invention, autrement dit le délai nécessaire à la propagation du mouvement de rotation jusqu'au niveau de la surface libre du metal en lingotière, est de l'ordre de la dizaine de secondes. Il convient de presenter les avantages procures par l'invention en les comparant à ceux des deux procédés connus (Magnétogyr et B.E.M.). A cette fin, le demandeur a jugé utile, pour la clarté de l'exposé, de présenter ces résultats dans un tableau comparatif, plutôt que dans une description necessairement longue. Le tableau est donné ci-après. Les résultats présentés sont qualitatifs et les réponses par "oui" ou "non" n'ont évidemment qu'une valeur relative et ne trouvent leur signification qu'en les comparant entre elles pour chaque procédé. Procedé BEM Procédé Magnétogyr Procédé selon l'invention 1 Propreté de surface non oui y oui 2 Propreté sous-cutanée non oui oui 3 Santé interne oui oui oui (porosité-ségrégation) 4 Faible aténuation du oui non oui champ 5 Meilleure évacuation oui oui oui de la surchauffe 6 Simplicite technologique oui non oui 7 Investissement réduit oui non oui Quelques remarques doivent être faites - Dans le résultat noté 2 (propreté sous-cutanee), il faut inclure la diminution observée de l'anisotropie, sur le plan des inclusions non métalliques, entre l'intrados et l'extrados d'une barre coulée sur une machine courbe. Il faut également y inclure la réduction, voire la suppression de défauts tels que soufflures ou toutes autres "bulles" qui peuvent se former au cours de la solidification du métal par degagement gazeux. - En ce qui concerne le résultat note 5, on rappelle qu'une meilleure évacuation de la surchauffe conduit à la possibilité de couler avec une vitesse d'extraction accrue et/ou avec une surchauffe plus importante du métal, ce qui permet un contrôle moins rigoureux de la surchauffe au niveau du répartiteur. Comme on peut s'en rendre compte, les résultats indiques relatifs au procédé selon l'invention sont de la qualité la meilleure, conformément à l'ordre hiérarchique précédemment explicité. Ils correspondent donc à un réglage de l'inducteur tel que son action sur le métal liquide soit la plus efficace possible, c'est-à-dire qu'elle puisse conférer à la surface libre du métal une forme similaire a celle obtenue par le procédé Magnétogyr. Il est clair que si l'on se contente de résultats de qualité moindre, l'action de l'inducteur peut être corrélativement plus réduite.Ainsi, si l'on se satisfait d'une bonne santé interne - résultat noté 3 - l'expérience montre que l'action de l'inducteur est sensiblement la même que celle habituellement mise en oeuvre dans le procédé B.E.M. et dont on trouvera des indications précises en se rapportant au texte du brevet français nQ 2.236.584 (IRSID) déjà cité. Par ailleurs, on comprend, et l'expérience le confirme, qu'en raison de l'affaiblissement du mouvement de rotation par la distance, surtout sensible dans le sens contraire de celui de l'extraction des produits, l'action de l'inducteur doit, pour l'obtention d'un résultat métallurgique donné, être accrue par rapport à son niveau correspondant dans le procédé Magnétogyr. Cependant, en général, il n'est pas pour autant nécessaire de remettre en cause le dimensionnement de l'inducteur tel qu'il est utilisé dans les procedes connus, et notamment dans le procédé B.E.M. En effet, le besoin de puissance supplémentaire peut être supplée de deux manières (dejà évoquées) : d'une manière implicite d'abord, par la disparition d'une paroi en cuivre intermédiaire ; ensuite par l'accroissement possible de la fréquence du courant d'alimentation. Enfin, si ces deux effets s'avèrent insuffisants, on procédera, dans les limites permises, à un reglage en hausse de l'intensité du courant d'alimentation. L'invention enseigne donc qu'il est possible de mettre le métal en rotation en lingotière avec des moyens autres que ceux du procédé Magnétogyr et peu différents de ceux propres au procéde B.E.M. L'invention enseigne encore qu'il est possible de pallier les limites de puissance d'un inducteur donné rapprochant celui-ci de la lingotière. Elle permet ainsi à l'utilisateur déjà pourvu d'un inducteur électromagnétique dans le refroidissement secondaire (selon le procédé B.E.M.) d'adapter simplement et sans efforts, son installation de coulee continue en vue de la mise en rotation du métal en lingotière et partant, de tirer ainsi l'essentiel des avantages procurés par le procédé Magnetogyr. A l'égard de.l'utilisateur désireux d'équiper son installation de coulée continue de moyens électromagnétiques pour la mise en rotation du metal en lingotière, l'invention constitue, face à la solution Magnétogyr, -une solution differente à propos desquelles ce premier pourra faire un choix. Et l'option de la solution conformement à l'invention pourra résulter notamment d'un souci de limiter les frais d'investissement ou d'une étude préalable d'implantation ayant révélée certaines difficultes technologiques d'adaptation réciproque de la lingotière et de l'inducteur, difficultés qui peuvent,on le comprend bien, se presenter en particulier dans le cas de lingotieres courbes. Le domaine d'aaplication de l'invention coïncide avec celui propre aux deux procedés connus évoques au cours de l'exposé. Ainsi, il s'applique non seulement à la coulee de barres rondes mais egalement à la coulée de produits ne présentant pas une section de révolution, par exemple des produits de section quadrangulaire telles que des billettes carrées, ou des blooms rectangulaires, ou d'autres produits pour autant que leurs dimensions externes soient compatibles avec l'emploi d'un inducteur électromagnétique du type préconise. En outre, l'invention s'applique non seulement aux différentes variétes d'aciers mais s'étend à tout métal susceptible d'être coule en continu.