Brevet FR2438514A1 — publié le 19800509

La présente invention a trait a la coulée continue des métaux, notamment de l'acier. Elle concerne plus précisément les opérations de brassage électromagnétique dans la zone du refroidissement secondaire d'une machine de coulée continue de produits métalliques de section allongée, tels que les brames. Les opérations de brassage électromagnétique dont il est question ici consistent a soumettre le métal encore liquide dans le puits de solidification a un champ magnétique mobile, glissant dans une direction déterminée, et dont l'action sur le métal liquide se manifeste alors par un entrainement de ce dernier identique, en sens et direction, au déplacement du champ magnétique. Dans le cas de produits de section allongée, tels que les brames, coulés en continu, il est connu d'entrainer le métal liquide de cette façon, dans un mouvement de translation horizontal, parallèle aux grandes faces du produit. Le champ magnétique mobile est généralement créé par un inducteur statique polyphasé, disposé de préférence au voisinage immédiat de la surface du produit coulé, et dont la technologie peut présenter, comme on le sait, différentes conceptions par exemple un inducteur monobloc similaire a un stator de moteur linéaire a induction et placé, soit derrière les rouleaux de maintien qui guident le produit le long de la zone du refroidissement secondaire de la machine de coulée, soit en substitution d'un ou plusieurs rouleaux, (Brevet français nO 2.068.803 ou brevet allemand nO 2.401.145), soit encore dans les espaces disponibles entre deux rouleaux consécutifs (Brevet français nO 2.187.468). Il a été également proposé de disposer l'inducteur a l'intérieur même d'un ou plusieurs rouleaux, rendus tubulaires a cette fin (Brevet anglais nO 1.405.312). L'étude métallographique des produits bruts de coulée révèle une amélioration systématique de la qualité interne des produits brassés par rapports aux produits non brassés. Cette qualité améliorée, qui se caractérise en particulier par une réduction de la porosité centrale, ainsi que par une diminution des macro-ségrégations en éléments d'alliage, apparaît résulter de l'influence favorable du brassage sur la structure de solidification. Cette dernière, en effet, reflète dans le cas des produits brassés une interruption précoce de la croissance cristalline périphérique de type basaltique au profit de la formation et du développement d'une zone centrale a structure de solidification non orientée, dite de type "équiaxe", corrélativement plus étendue. Fort de ces observations, le demandeur a mené des recherches conjointement dans deux directions différentes : celle de l'hydrodynamique d'une part et celle des mécanismes de la solidification du métal d'autre part, afin de caractériser la nature du lien de causalité entre brassage et structure de solidification, puis d'en maîtriser l'établissement. C'est l'aboutissement de ces recherches qui lui a permis de réaliser la présente invention dont le but est de procurer une amélioration plus sensible encore de la qualité interne des produits coulés en favorisant le développement accru d'une structure de solidification équiaxe. A cet effet, l'invention a pour objet des perfectionnements aux procédés de brassage électromagnétique de produits métalliques, notamment en acier, coulés en continu en présentant une section droite allongée, tels que les brames, procédés selon lesquels -on soumet le métal liquide en cours de solidification dans la zone du refroidissement secondaire de l'installation de coulée a l'action d'un champ magnétique glissant entraînant le métal liquide dans un mouvement de translation horizontal, parallèle aux grandes faces du produit, perfectionnements caractérisés en ce que on localise l'action du champ magnétique, sur la hauteur métallurgique dans la région voisine du fond du puits de solidification commençante. On rappelle que l'on entend par "hauteur métallurgique" la distance séparant la surface libre du métal liquide en lingotière (début de la solidification) du fond du puits de solidification, ou puits liquide, c'est-à-dire la où le métal coulé est complètement solidifié. On rappelle également que l'expression "solidification commençante" s'oppose a celle de "solidification finissante". Dans les conditions habituelles de coulée, le front de solidification qui progresse de la périphérie du produit jusqu'au centre n'est jamais bien lisse, mais présente un profil déchiqueté fait d'une succession de cristaux en saillie. On dénomme habituellement la surface passant par l'extrémité de ces saillies par "front de solidification commençante" et la surface passant par leur base par "front de solidification finissante". Ainsi, l'expression précédemment employée "fond du puits de solidification commençante" désigne-t-elle l'endroit de la hauteur métallurgique où les deux fronts de solidification, relatifs respectivement à chacune des grandes faces opposées du produit se rencontrent. Dans la suite du texte, cette expression est remplacée par celles plus commodes de "fond du puits liquide" ou "fond du puits de solidification". Comme on le comprend, la présente invention consiste donc dans ses caractéristiques essentielles à localiser l'action du champ magnétique glissant dans la région du fond du puits liquide et, de préférence, à une distance ne dépassant pas 1 m environ de ce fond, alors que ladite action, dans la pratique habituelle, est appliquée à des niveaux plus élevés, généralement au voisinage de la mihauteur métallurgique. A première vue, il peut paraître surprenant que le simple fait de modifier la localisation de l'endroit d'action du champ magnétique suffise à promouvoir, mieux que par le passé, la formation d'une structure de solidification de type équiaxe au sein du produit coulé. Il peut sembler même paradoxal que, pour obtenir un tel résultat, il faille agir, non pas là où l'on souhaite voir s'interne rompre définitivement la zone basaltique, c'est-à-dire au voisinage de la mihauteur métallurgique comme cela se pratique habituellement et comme cela est enseigné, par exemple dans le cas des produits de plus faible section, tels que les blooms ou les billettes, dans le brevet français nO 2.236.584, mais bien plus loin, en aval, en un endroit où le produit est presque entièrement solidifié, a savoir au voisinage immédiat du fond du puits de solidification. L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages ressortiront plus clairement au vu de la description qui suit donnée en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles - la figure 1 illustre a configuration des mouvements du métal liquide dans le puits de solidification d'une brame coulée en continu, telle qu'obtenue par les procédes habituels antérieurs. - la figure 2 illustre la configuration des mouvements obtenus par le procédé selon l'invention. - les figures 3 et 4 representent schématiquement deux variantes de realisation des moyens de mise en oeuvre de l'invention. Il doit être compris que le puits de métal liquide se trouve representé sur les figures à titre d'illustration sans qu'il puisse être présumé quantitativement des rapports réels existant entre la hauteur métallurgique et les dimensions du produit coulé. On rappelle, pour l'intelligence de l'invention, que dans le cas de la coulée continue de formats allonges, tels que les brames, le fond du puits de solidification se présente sous l'aspect d'une vallée étroite et profonde, orientée parallèlement au plan des grandes faces et dont les versants sont constitués par les fronts de solidification relatifs à ces grandes faces. La fermeture du puitsliquide, c'est-à-dire la fin de la solidification proprement dite, intervient alors par rapprochement progressif des deux versants, sans contribution sensible des fronts de solidification des petites faces, contrairement au cas des formats moins dissymétriques, tels que les ronds ou les carres, dans lesquels la solidification complète résulte d'une progression equivalente et simultanée de toute la périphérie. Comme il a déjà été dit, l'invention résulte du point de rencontre de deux voies de recherche menées parallèlement par le demandeur concernant respectivement l'étude de la solidification du metal liquide et l1étude des mouvements de convection forcée qu'on peut y faire naître. Ces études ont abouti à des conclusions essentielles qui vont être développées par la suite. Une première observation consiste à dire que plus tôt s'interrompt la croissance basaltique, plus importante est la proportion de structure equiaxe dans le produit coulé. Autrement dit, dans le domaine de la coulée continue, cette proportion est d'autant plus grande que la "naissance équiaxe" a lieu plus haut sur la hauteur métallurgique. La seconde observation est que l'initiation et le développement d'une structure de solidification de type équiaxe au sein du métal liquide sont favorisés par certains facteurs dont les plus importants sont, d'une part, une faible surchauffe du bain métallique et, d'autre part, la présence au sein de la masse en fusion de germes de solidification. A propos du second facteur cité, les germes de solidification peuvent être notamment de petits cristaux qui se forment spontanément dans le bain ou qui proviennent plus généralement de la croissance basaltique, par élagage des têtes de dentrites par les mouvements de convection du métal liquide contre le front de solidification. Or, il est bien connu que le fond du puits de solidification est une région particulièrement riche en petits cristaux "équiaxes", soit qu'ils y descendent par gravité, soit qu'ils se forment en ce lieu car les conditions requises y sont plus favorables qu'ailleurs. L'idée à la base de la présente invention consiste donc à aller chercher ces petits cristaux accumulés au fond du puits et disponibles en grande quantité et à les amener là où il en manque alors qu'on en a le plus besoin, à savoir à des niveaux plus élevés de la hauteur métallurgique où l'on souhaite voir s'interrompre la croissance basaltique au profit d'une solidification de type équiaxe. L'invention apparait donc fondamentalement comme une opération d'ensemencement des régions du puits liquide les plus défavorisées, par des petits cristaux équiaxes en provenance de la région la plus riche, celle du fond du puits. Il est apparu au demandeur que l'un des moyens les mieux appropriés à effectuer le transport des cristaux était le métal liquide lui-même, pour peu qu'on lui confère, comme l'enseigne la présente invention des mouvements de circulation appropriés. Il doit être donc bien compris que le métal liquide n'a pas tant ici un rôle par lui-même mais plutôt en tant que véhicule de ramassage et de transport des germes de solidification. Il n'en demeure pas moins vrai que ce mouvement de masse liquide entre le fond du puits de solidification et des niveaux plus élevés, permet de mélanger un métal chaud avec un métal plus froid, donc d'homogéneiser la température, ce qui a notamment pour effet de réduire la surchauffe des régions supérieures, donc de les fertiliser en quelque sorte, en vue d'une croissance plus aisée des germes de solidification qui y sont apportés. La seconde composante de l'invention concerne la configuration des mouvements de circulation forcée à faire naître dans le métal en fusion pour effectuer ce transport de germes. Le moyen le plus commode est déjà bien connu et largement utilisé. Il s'agit des champs magnétiques glissants dont l'action de brassage sur le métal liquide a déjà été évoqué précédemment et dont on rappelle que l'un des avantages les plus caractéristiques est de constituer un outil privilégié puisqu'il permet le contrôle du brassage lui-même en conférant à l'utilisateur la commande de l'entraînement du métal liquide donc la maîtrise des mouvements de convection qu'il souhaite voir s'y développer. Dans la suite, par "brassage" (ou "entrainement") on entendra implicitement "brassage (ou entraînement) électromagnétique à champ glissant". A priori, tous les modes de brassage sont susceptibles de convenir dans la mesure où ils assurent globalement un entraînement du métal liquide depuis le bas du puits de solidification jusqu'à des niveaux plus élevés. Toutefois la qualité du résultat obtenu reste conditionné par le degré de difficulté de l'itinéraire que l'on impose à la circulation du métal. A cet égard, si l'on considère le mode de brassage réalisé habituellement à l'aide d'un champ magnétique glissant horizontalement sur la largeur d'une grande face du produit et dont l'action est localisée au voisinage de la mi-hauteur métallurgique, le tracé de la carte des vitesses des mouvements dans un plan de coupe parallèle aux grandes faces laisse apparaître, comme l'indique le texte du brevet français nO 2.068.803 déjà cité, une configuration plane, paral lèle aux grandes faces, rappelant la forme de deux ailes de papillon. Cette carte de vitesse est illustrée sur la figure 1, extraite du brevet précité, et sur laquelle on a désigné en 1 le produit coulé, en l'occurence une brame d'acier, en 2 le front de solidification progressant sur les petites faces du produit, en 3 le puits liquide, en 4 le fond du puits, et en 5 un inducteur statique polyphasé créant un champ magnétique mobile glissant parallèlement aux grandes faces du produit selon une direction horizontale 6, perpendiculaire à l'axe de coulée représenté en 7. Comme on le voit, cette configuration des mouvements comprend une zone 8 de circulation directe, horizontale, et à forte vitesse, soumise à l'action du champ magnétique et qui, de ce fait, peut être qualifiée de "zone motrice" ou "zone d'entraînement direct", par opposition aux deux régions de recirculation 9 et 10 plus diffuses qui s'établissent l'une au-dessus de l'autre, symétriquement de part et d'autre de la zone motrice centrale 8. Une telle configuration, si elle procure, un brassage efficace de la masse liquide située dans l'une ou l'autre des regions précitées, n'est guère appropriée cependant à assurer un brassage de ces deux régions entre elles, donc en particulier, la remontée du métal de la région basse 9 à la région supérieure 10. Pour cela, il faudrait en effet, en raison de l'orientation de la zone motrice 8 perpendiculaire au front de solidification 2 des petites faces, imposer au métal liquide un changement brutal de recirculation à l'extrémité de sortie 11 de la zone 8. Ainsi, même si l'on fait en sorte que la recirculation inférieure 9 parvienne à balayer la région voisine du fond 4 du puits liquide 3 (par exemple en augmen tant l'intensité de l'action électromagnétique, ou en déplaçant cette action suffisamment vers le bas), les petits cristaux accumulés au fond, schématisés en 12 et ainsi collectés seront certes dans un premier temps remontés jusque dans la zone motrice centrale 8 dans laquelle ils pénétreront par l'extrémité d'entrée 13.Mais ensuite leur évacuation par l'extrémité de sortie 11 aura, au mieux, une probabilité égale de s'effectuer (comme on le souhaite) vers le haut, en étant entraînés dans la zone de recirculation supérieure 10, que de demeurer (comme on voudrait l'éviter) dans leur zone de recirculation initiale 9 et de redescendre donc vers le fond du puits, pénalisant ainsi d'autant le rendement de l'opération d'ensemencement. On entrevoit ici tout l'intérêt de pouvoir réaliser un mode de brassage capable, d'augmenter sensiblement la proportion de cristaux transférés vers le haut. Cela est possible, conformément à l'invention, en localisant la zone motrice, c'est-à-dire l'action du champ magnétique, au voisinage immédiat du fond du puits de solidification. Le tracé de la carte des vitesses laisse alors apparaître des lignes de courant dont la configuration est illustrée sur la figure 2. Sur cette figure, les mêmes eléments que ceux de la figure 1 sont désignés par des références identiques. Comme on le voit, on empêche de cette façon la formation d'une zone de recirculation inférieure qui ne peut se développer en raison de la fermeture toute proche du puits de solidification 3. De plus, on confere à la zone d'entrainement direct 8 un rôle supplémentaire qu'il ne remplissait pas auparavant, à savoir celui de collecter les petits cristaux 12 entassés au voisinage du fond 4 du puits. Ainsi on crée dans le bain métallique un mouvement circulatoire unique dont la partie motrice basse 8 collecte facilement les cristaux équiaxes en raison des fortes quantités de mouvement conférées au métal en cet endroit. La partie haute 10, en les libérant, ensemence donc les régions supérieures en germes de solidification équiaxe. On impose de cette façon un itinéraire simple au métal liquide, lequel délivre alors, à des niveaux plus élevés, la totalité des cristaux dont il s'est préalablement chargé au fond du puits. Les travaux du demandeur ont montré que l'on pouvait disposer la zone motrice jusqu'à une distance moyenne d'environ 5 m du fond 4 du puits sans provoquer la naissance d'une zone de recirculation inférieure préjudiciable au rendement de l'opération. On a représenté schématiquement sur les deux figures suivantes deux variantes possibles (et non exhaustives) de réalisation de l'inducteur produisant le champ magnétique glissant necessaire à l'entraînement du métal liquide. Dans les deux cas, il s'agit d'un inducteur électromagnétique de type statique, alimenté en énergie electrique par une alimentation polyphasée, -triphasée dans les exemples illustrés ici-, et désignée par la référence 14. On souligne que ces deux inducteurs sont bien connus, à la fois dans leur technologie et dans leur mode de cablage interne, ou de connexion externe à l'alimentation polyphasée de manière appropriee à engendrer un champ magnétique glissant.La caractéristique distinctive, propre à la présente invention, reside dans l'emplacement particulier de ces inducteurs dans la zone du refroidissement secondaire d'une machine de coulée continue de produits métalliques à large section, au voisinage immédiat du fond du puits de solidification. Dans le premier cas, figure 3, on a représenté un inducteur 15, monobloc, placé derrière les rouleaux de soutien, non représentés pour ne pas surcharger la figure. On rappelle que cet inducteur 15 présente une structure en tout point similaire à celle d'un stator de moteur linéaire à induction classique : il est constitué par une culasse magnétique 16 en tôles feuilletees présentant, sur sa face tournée vers le produit coulé, des encoches paralleles entre elles et perpendiculaires au plan des tôles. Ces encoches sont occupees par des conducteurs électriques 17, généralement des barres de cuivre. Ces barres sont reliées entre elles par paire en serie de sorte que le courant électrique y circule dans des sens opposés. Chaque barre étant éloignée de sa partenaire d'un nombre d'encoches égal au nombre de phases de l'alimentation électrique de manière à constituer globalement un enroulement de type imbriqué bien connu.Ces barres sont connectées, de façon également connue, à l'alimentation triphasée 14, illustrée par les trois phases R, S, T et le neutre N, de manière à générer un champ magnétique glissant se déplaçant perpendiculairement aux barres 17. Comme le montre la figure, on dispose cet inducteur en regard d'une des grandes faces du produit coulé 1, au voisinage du fond du puits de solidification et on l'oriente de manière que le champ magnétique glisse horizontalement en se propageant d'une petite face du produit à l'autre (les barres sont orientées parallèlement à l'axe de coulee 7). On a illustre le mode de connexion de l'inducteur à l'alimentation en affectant à chaque barre une lettre, R, S, ou T, désignant la phase à laquelle elle est reliée, et éventuellement surmontée d'un trait indiquant le sens relatif du courant qui la parcourt. Ainsi la séquence de gauche à droite R, T, s, R, T, S, R... indique que le champ magnétique, qui se propage comme le maximum de tension sur chaque phase, glisse de gauche à droite comme l'indique la flèche VB. En se rapportant a présent à la figure 4, on voit que l'inducteur 18 est placé cette fois à l'intérieur d'un rouleau de soutien 19. Bien entendu, plusieurs rouleaux successifs (deux sur la figure) peuvent être équipes intérieurement par un inducteur. La technologie d'un tel rouleau-inducteur est connue et décrite en détail dans le brevet anglais n" 1 405 312 déjà cité. On rappelle qu'elle se caractérise par une pluralité de bobines 20 disposées côte à côte autour d'un noyau magnétique longitudinal (non représenté), le tout étant disposé à l'intérieur d'un rouleau de soutien 20 tubulaire. Tout ce qui a été dit préalablement à propos de l'inducteur 15 de la figure 3 demeure valable ici, en substituant, par la pensée, les bobines 20 aux barres 17. On rappelle qu'il est possible, par simple permutation non-circulaire des phases de l'alimentation, d'inverser le sens du glissement du champ magnétique. Conformément à l'invention, cette inversion, opérée périodiquement en cours de coulée, est d'ailleurs conseillée, car elle permet d'inverser le sens de circulation du métal liquide (voir figure 2) et ainsi d'uniformiser les apports de matières en provenance du fond du puits, sur les fronts de solidification de l'une et de l'autre des petites faces du produit coulé. La mise en pratique de la présente invention peut le cas échéant soulever deux sortes de difficultés dont on s'affranchira à partir des indications suivantes. - La premiere tient au fait même que l'on agit au voisinage du fond du puits de solidification, c'est-à-dire en un endroit où le métal liquide présente d'une part un volume disponible sensiblement plus réduit qu'aux niveaux plus élevés et d'autre part une consistance relativement pâteuse. Il peut s'avérer né- cessaire d'augmenter l'action de brassage électromagnétique afin que la mise en mouvement du métal liquide soit suffisamment efficace pour pouvoir emporter les petits cristaux équiaxes. Pour ce faire, différents moyens peuvent être envisagés. Un moyen consiste à intensifier l'action de brassage en adjoignant à l'inducteur existant un second inducteur disposé en regard du premier, sur l'autre grande face du produit. Un autre moyen consiste à intensifier l'action de brassage en adjoingnant à l'inducteur existant un ou, de préférence, deux inducteurs disposés cette fois le long des petites faces du produit coulé et créant chacun un champ magnétique glissant dans le sens des mouvements du métal déterminés par l'action du premier inducteur. A titre d'illustration, on a schématisé en 21 et 21' sur les figures 3 et 4, deux inducteurs identiques disposés sur les petites faces du produit coulé, au-dessus et à proximité immédiate de l'inducteur principal. Ces inducteurs, de structure similaire à celle de l'inducteur 15 de la figure 3, comprennent une culasse magnétique feuilletée 22 (22') présentant du côté du produit des encoches parallèles et horizontales dans lesquelles sont placées des barres 23 (23') conductrices de l'électricité.Ces inducteurs sont reliés à une alimentation polyphasée, de façon appropriée à créer chacun un champ magnétique glissant verticalement mais dans des sens opposés, de manière à prolonger en amont et en aval, l'action de l'inducteur principal, comme l'indiquent les flèches verticales B Bien entendu les différents moyens évoqués précédemment peuvent être associés entre eux. De plus, leur énumération n'est pas limitative et d'autres variantes ou équivalents peuvent être mis en oeuvre. Par exemple, le ou les inducteurs annexés verticaux peuvent être localisés sur la grande face, en bordure de celle-ci. Cependant, ces inducteurs, étant alors nécessairement placés derrière les rouleaux de soutien, produisent, à puissance egale, une action électromagnétique reduite par rapport à la disposition précédente, en raison de l'affaiblissement du champ par la distance et surtout par absorption lors de la traversée des rouleaux. A ce propos, on peut signaler que le même avantage apparaît en faveur des inducteurs placés à l'intérieur des rouleaux (figure 4) par rapport à la variante de la figure 3, correspondant à l'inducteur disposé derrière les rouleaux. - Le second type de difficulté que l'on peut rencontrer est lié au fait que la position du fond du puits de solidification n'est généralement pas fixe mais variable sur la hauteur de la machine de coulée. Si cette position vient à se déplacer vers le bas, les conséquences ne sont généralement guère sensibles puisque, comme déjà dit, le procedé s'accomode d'un certain éloignement entre le fond du puits et la région d'entraînement direct du métal, pouvant atteindre des valeurs de plusieurs mètres. Plus gênant est le cas où la position du fond remonte : l'action du champ magnétique est alors sans effet puisqu'elle s'exerce sur un produit déjà pratiquement solidifié. On peut s'affranchir des difficultés de ce type en équipant d'inducteurs tous les rouleaux de soutien successifs qui s'étagent sur une distance correspondant à la plage de fluctuation possible de la position du fond du puits et à n'alimenter que les rouleaux qui se trouvent à l'endroit souhaité. REVENDICATIONS 1") Perfectionnements aux procédés de brassage électromagnétique de produits métalliques coulés en continu et présentant une section droite allongée, tels que les brames, procédés selon lesquels on soumet le métal liquide en cours de solidification dans la zone du refroidissement secondaire de la machine de coulée à l'action d'un champ magnétique glissant entraînant le métal liquide dans un mouvement de translation horizontal parallèle aux plans des grandes faces du produit, perfectionnements caractérisés en ce que on localise l'action du champ magnétique sur la hauteur métallurgique au voisinage du fond du puits de solidification. 29) Perfectionnements selon la revendication 1 caractérisé en ce que on localise l'action du champ magnétique à une distance du fond du puits de solidification au plus égale à 5 m environ. 30) Perfectionnements selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on inverse périodiquement le sens de glissement du champ magnétique. 4 ) Perfectionnements selon la revendication 1 caractérisé en ce que le champ magnétique glissant est créé par un inducteur statique polyphasé disposé coaxialement à l'intérieur d'un rouleau de soutien du produit coulé. 5 ) Perfectionnements selon les revendications 1 et 4 caractérisé en ce que sont équipés d'inducteurs tous les rouleaux de soutien qui s'étagent sur une distance correspondant à la plage de fluctuation possible de la position du fond du puits de solidification sur la hauteur métallurgique et en ce que, au cours de la coulée, on n'active que les rouleaux qui se trouvent à l'endroit souhaité. 60) Perfectionnements selon la revendication 1 caratérisé en ce que, en outre, on soumet le métal liquide à un champ magnétique glissant verticalement dont l'action est localisée au voisinage d'au moins une petite face du produit coulé, et dont le sens de glissement est tel que l'action du champ magnétique glissant horizontalement soit renforcée.