Brevet FR2443892A1 — publié le 19800711

La présente invention a trait à la coulée des métaux en fusion, notamment de l'acier. Elle concerne plus précisément les récipients metallurgiques, tels que convertisseurs, fours de fusions, poches, répartiteurs de coulée continue, etc... dans lesquels l'évacuation du métal liquide qu'ils contiennent s'effectue par un orifice de coulée ménagé dans leur paroi, généralement dans leur fond. Parmi les préoccupations majeures du métallurgiste soucieux de la qualité du produit qu'il élabore, la séparation métal-scories, qui intervient lors d'un transfert du métal liquide d'un récipient à un autre, tient une place de choix. Comment éviter, au cours de la vidange d'un récipient métallurgique par un orifice ménage en paroi, un entraînement, en fin de coulée, de la scorie qui surnage sur le bain métallique ? Outre la surveillance visuelle, nécessairement imparfaite, diverses solutions ont déjà été proposées pour résoudre ce problème. Ces techniques visent toutes à empêcher, par un organe d'obturation de l'orifice, la sortie de la masse de scories après que la totalité du bain métallique ait été évacuée. Cependant, si l'on s'en contente le plus souvent, notamment en production industrielle de masse, elles sont parfois estimées insuffisamment efficaces. Elles apparaissent en effet inadaptées à prévenir un entraînement parasite de particules de scories dans le jet de sortie de métal liquide bien avant que tout le métal n'ait été évacué, entraînement résultant de la formation d'un vortex autour de l'axe de l'orifice en fin de coulée, après que le récipient ait atteint un certain degré de vidange. On comprend que cet entraînement par phénomène de vortex est d'autant plus nuisible que le métal élaboré doit etre de qualité, et d'autant plus important quantitativement que, pour un volume donné de métal, sa hauteur dans le récipient qui le contient est faible, c'est-à-dire que le récipient présente un fond de grande surface. Ce phénomène prend une importance particulière dans certains cas, par exemple, celui de la coulee continue d'acier inoxydable. En effet, il s'agit d'un produit dont il importe de soigner particulièrement la qualité et la propreté, alors que le répartiteur de la machine de coulée possède généralement un fond large, afin de faciliter la régularité du débit de coulée et permettre, le cas échéant, l'alimentation simultanée de plusieurs lignes de coulée, ce qui favorise la formation précoce d'un vortex. La présente invention a pour but d'éviter un entraînement parasite de particules de scories dans un jet de coulée de métal liquide par phénomène de vortex. A cet effet, l'invention a pour objet un récipient métallurgique à évacuation du métal liquide par un trou de coulee ménagé dans le fond, caractérisée en ce qu'il est prolongé localement à sa partie inférieure par un puits, en ce que l'orifice de coulée est placé à la base de ce puits, et en ce que des moyens sont prévus pour créer un champ magnétique dont les lignes d'induction traversent le puits. Comme on le comprend, la présente invention consiste donc essentiellement à modifier localement la géométrie de l'intérieur du récipient, de manière à y créer un puits ou, si l'on préfère, un appendice creux s'détendant vers le bas, à l'extrémité duquel est percé l'orifice de coulée et autour duquel a été placé un dispositif magnétique dont la fonction est de créer un champ magnétique de freinage traversant cet appendice. Le principe fondamental, à la base de la présente invention, est l'effet magnéto-hydrodynamique brièvement rappelé ci-après. Lorsqu'un liquide électro-conducteur, par exemple de l'acier en fusion, est placé dans un champ magnétique et que champ et liquide sont en mouvement relatif l'un par rapport à l'autre, si les lignes de champ ne sont pas en tout point du liquide parallèles au mouvement, il se développe au sein de la masse liquide des forces d'origine électromagnétique dont l'effet est de s'opposer à ce mouvement relatif. Si le champ est mobile, il tend à entralner le métal avec lui s'il est stationnaire, il tend à empêcher tout mouvement de métal transversal aux lignes de champ. Conformément à la présente invention, on applique ce principe à la vidange d'un récipient métallurgique afin de réduire, voire de supprimer, le phénomène de vortex et, avec lui, le risque d'un entrafnement de particules de scories dans le jet de coulée. L'invention sera bien comprise, et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit, relative à une application particulière de l'invention à la coulée continue de l'acier. Cette description est donnée en référence à la figure unique annexée représentant une vue en perspective du dessous et partiellement arrachée d'un répartiteur de coulée continue perfectionné selon l'invention. On a représenté en 1 le répartiteur contenant un bain de métal liquide 2 surmonté d'une couche de scories 3. Le métal liquide se déverse, sous forme d'un jet de coulée 4, dans une lingotière non représentée, disposée en dessous du répartiteur. On n'a pas représenté non plus la poche de coulée positionnée audessus du répartiteur et alimentant ce dernier par un jet de métal liquide 5. On distingue en 6 l'enveloppe métallique du répartiteur et en 7 son revêtement intérieur en briques réfractaires. On a supposé que le degré de remplissage du répartiteur est tel que le bain métallique 2 présente, au-dessus du jet de cou lée 4, un mouvement tourbillonnaire, ou "vortex" 8, creusant la surface et susceptible d'entralner dans le jet des particules de la couche de scories 3 qui surnage sur le bain. Conformément à l'invention, le répartiteur présente localement dans son fond un puits 9. Dans l'exemple décrit, ce puits fait saillie vers l'extérieur en un appendice référencé 10. A l'extrémité de l'appendice, c'est-à-dire dans sa base 11, a été percé l'orifice de coulée 12 dont le diamétre est inférieur à celui du puits. Cet appendice peut avantageusement être constitué par un simple pot réfrac- taire dans une enveloppe métallique 13 que l'on rapporte, par exemple par soudure, sur le fond du répartiteur en bordure de l'ouverture 14 qui a préalablement été ménagée à cet effet. Bien entendu, pot et répartiteur peuvent être réalisés d'une seule pièce. La présence d'un tel puits a un double rôle : le premier est d'augmenter la hauteur du bain au-dessus de l'orifice de coulée 12 pour une même masse de métal liquide et ainsi retarder l'apparition du vortex pendant la coulée. Le second est de constituer un emplacement favorable pour l'implantation d'un dispositif magnétique, aimant permanent ou inducteur électromagnétique. Un tel inducteur, dont la fonction de frein ou de suppression du phénomène tourbillonnaire a été expliquée plus haut, est représenté schématiquement en 15. Il entoure extérieurement le puits 9. On voit que, pour que l'action de freinage du champ magnétique soit sensible, il faut que le mouvement tourbillonnaire 8 puisse se développer dans le puits et non uniquement plus haut, dans le répartiteur lui-même. il faut pour cela que le métal dans le puits puisse être, malgré son écoulement par l'orifice 12, dans un état hydrodynamique relativement calme. Autrement dit, la vitesse linéaire d'écoulement du métal dans le puits ne doit pas être trop élevée, ce qui risquerait d'annihiler toute possibilité de formation de mouvement tourbillonnaire et de le reporter plus haut. A cette fin, le diamètre intérieur du puits 9 ne doit pas être trop petit par rapport au diamètre de l'orifice de coulée 12. En fait, le diamètre du puits doit être au moins le double de celui de l'orifice de sortie 12, ce dernier étant généralement considéré comme une donnée propre à l'installation de coulée. Par ailleurs, il est clair que l'éloignement entre le mouvement tourbillonnaire 8 et l'inducteur 15 croît avec le diamètre du puits et que, par voie de conséquence, plus celui-ci est grand, plus l'inducteur devra fournir une puissance élevée pour que l'action du champ magnétique sur le mouvement tourbillonnaire demeure efficace. Compte tenu des puissances délivrées par les inducteurs usuels (champ magnétique de l'ordre de 0,03 à 0,15 Tesla environ) et des diamètres habituels des orifices de coulée (entre 10 et 50 mm environ), un rapport de 1 à 5 ou de 1 à 10 entre ces derniers et ceux du puits est tout à fait satisfaisant. En principe, la profondeur du puits 9 peut être quelconque. Toutefois, elle ne doit pas être trop faible afin de ne pas pénaliser l'action de l'inducteur 15 en limitant cette dernière à la partie inférieure du mouvement tourbillonnaire. Par ailleurs, le puits 9 ne doit pas être trop profond. D'abord, parce que cela serait inutile, ensuite et surtout, pour des raisons pratique que connaissent bien les opérateurs de coulée, et qui sont les mêmes que celles qui limitent la profondeur du répartiteur. Conformément à une mise en oeuvre avantageuse de la présente invention, la profondeur du puits 9 est sensiblement égale à celle du bain métallique correspondant à l'apparition du phénomène de vortex. Cette hauteur peut être calculée ou déterminee empiriquement grâce à une simple détection visuelle du moment d'apparition du vortex dans un répartiteur ordinaire, ou mieux, dans le répartiteur que l'on destine à être perfectionne selon l'invention. Si l'on respecte la prescription précédente, la quasi-totalité du mouvement tourbillonnaire 8 est soumise à l'action du champ magnétique produit par l'inducteur 15, car on se place alors dans une situation telle que l'effet de vortex s'amorce lorsque la couche de scories 3 atteint le fond du répartiteur. Les indications qui suivent concernent les caractéristiques du champ magnétique agissant, ainsi que les moyens matériels à mettre en oeuvre pour le créer. Tous ces moyens étant connus et ne faisant pas partie, en tant que tels, de l'objet de l'invention, on précise les documents antérieurs qui en donnent une description plus détaillée. Le champ magnétique mis en oeuvre peut être indifféremment continu ou alternatif. Les seules contraintes qui le caractérisent concernent la configuration de ses lignes d'induction. En vertu du principe général énoncé au début, la direction du vecteur representatif du champ magnétique ne doit pas être, en tout point du puits 9, parallèle à celle du mouvement tourbillonnaire 8 qui se crée, ou va se créer, autour de l'axe de coulée, référencé 16 sur la figure. Par ailleurs, ce principe, dans l'application qui en est faite conformément à l'invention, doit être corrigé par la règle du flux magnétique coupé. Cette règle enseigne, dans ce cas, que l'effet de freinage du champ magnétique depend de la direction de ce dernier par rapport à l'axe de coulée. Cet effet est maximal lorsque les lignes d'induction sont perpendiculaires à l'axe 16 et diminue jusqu'à s' annuler lorsqu'elles deviennent parallèles à cet axe. Le champ magnétique peut donc présenter une grande diversité directionnelle dans la mesure où les lignes d'induction traversent le puits. Mais l'efficacité optimale est obtenue par un champ traversant le puits perpendiculairement à l'axe de coulée 16 . A cette fin, l'inducteur 15 est avantageusement constitué par un aimant permanent, ou un électro-aimant ou tout autre appareil similaire dont les piles sont placés en regard les uns des autres de part et d'autre de l'appendice 10. Ce champ magnétique traversant peut encore être stationnaire ou mobile en rotation autour de l'axe 16, mais avec un sens de rotation opposé à celui du mouvement tourbillonnaire du bain. Dans ce cas, en effet, le champ magnétique tournant, en augmentant la vitesse relative du métal liquide, permet de freiner le mouvement tourbillonnaire 8 avec plus d'efficacité encore que le champ stationnaire. Le champ magnétique tournant peut être obtenu par un inducteur statique polyphasé de forme tubulaire, du type stator de moteur rotatif à induction. On peut trouver une description plus détaillée de ce type d'inducteur en se reportant par exemple aux brevets français nO 2.211.305 et n0 2.315.344 ou au brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 2.963.758, ayant tous trois pour objet l'utilisation d'un tel inducteur pour le brassage du métal liquide en cours de solidification dans une installation de coulée continue. Il doit être compris que la force électromagnétique à effet antagoniste qui prend naissance dans le bain métallique, étant, entre autres, proportionnelle à la vitesse relative entre champ magnétique et métal, la mise en oeuvre de l'invention, dans sa variante de réalisation à champ stationnaire, ne peut donc conduire à la suppression complète de tout mouvement rotatif du bain autour de l'axe de coulée. Mais cela n'est en général pas gênant, car seul un mouvement tourbillonnaire, intense, donc avec formation de vortex, est responsable de l'entraînement de particules de scories, et l'effet de freinage qui résulte de l'action du champ stationnaire, suffit à maintenir le métal liquide dans un mouvement rotatif résiduel de type non-tourbillonnaire. Cette forme de réalisation de l'invention, qui peut être, de façon imagée, qualifiée de "système, ou technique à vortex auto-freinant" présente l'avantage d'une mise en oeuvre fort simple, s'accommodant d'un équipement électrotechnique courant sur le marché, donc peu onéreux, et qui, de surcroît, ne nécessite qu'une surveillance minimale de la part de l'opérateur de coulée. La variante de réalisation à champ magnétique tournant présente, elle, la capacité de pouvoir supprimer totalement la rotation du bain. En contre-partie, sa mise en oeuvre nécessite une attention plus soutenue, car elle présente des points de fonctionnement assez précis. A cet égard, le paragraphe suivant est destiné à éclairer l'utilisateur sur les particularités essentielles. Deux précautions préliminaires sont à prendre. La première consiste bien entendu à déterminer au préalable le sens du mouvement de rotation que va prendre le bain. Au besoin, on peut l'imposer par un artifice mécanique, tel qu'un déflecteur judicieusement placé, ou tout autre moyen équivalent. La seconde précaution est d'éviter d'activer l'inducteur avant que le réci pient n' ait atteint le degre de vidange correspondant à l'initiation du mouvement tourbillonnaire, au risque d'entraîner le métal liquide dans un mouvement de rotation, dans le sens du champ magnétique, qui ne peut que s'amplifier par la suite et donc former un vortex. Ces précautions étant prises, il est souhaitable de régler les caractéristiques électromagnétiques de l'inducteur (fréquence de rotation et intensité du champ magnétique) de manière que la force antagoniste qui se crée dans le métal liquide ne soit pas prépondérante ou, du moins, ne s'exerce pas suffisamment longtemps pour provoquer une inversion du mouvement tourbillonnaire. Toutefois, conformément à une mise en oeuvre avantageuse de l'invention, on peut s'affranchir d'une telle précaution en opérant périodiquement, par exemple toutes les 5 ou 10 secondes, une inversion du sens de rotation du champ magnétique ce qui a pour effet, lorsque l'intensité de la force électromagnétique antagoniste est placée à un niveau trop élevé, de supprimer cycliquement la tendance du métal liquide à être entraîné par le champ. Par ces deux formes de réalisation (champ stationnaire et champ tournant) l'invention offre à l'utilisateur un choix entre une plus grande simplicité de mise en oeuvre et une meilleure qualité des résultats, choix qu'il effectuera en fonction de ses propres souhaits ou nécessités. Il va de soi que la présente invention ne saurait se limiter aux exemples décrits, tant en ce qui concerne les moyens mis en oeuvre, que son domaine d'application. A cet égard, bien que le répartiteur d'une installation de coulée continue constitue un domaine d'application privilégié, -car les mouvements tourbillonnaires qui s'y développent peuvent atteindre assez facilement une ampleur telle que la totalité des scories soit entraînée dans le jet de coulée avant que tout le métal liquide en soit sorti-, il n'en demeure pas moins vrai que l'invention est d'application générale à tout récipient métallurgique, tel que convertisseur, four de fusion, poche de transfert, etc... dans la mesure où celui-ci est équipé d'un orifice de sortie dans le fond, ou au travers de la paroi latérale, et qui, dans ce cas, subit un basculement au moment de la coulée. Par ailleurs, l'invention peut être utilisée seule, ou de préférence en association avec les techniques connues et précédemment évoquées consistant à obturer l'orifice de sortie immédiatement après l'évacuation du métal liquide. REVENDICATIONS 1) Récipient métallurgique de coulée à évacuation du métal liquide par un orifice de coulée ménagé dans le fond, caractérisé en ce qu'il est prolongé localement, à sa partie inférieure, par un puits, en ce que l'orifice de coulée est placé à la base de ce puits et en ce que des moyens sont prévus pour créer un champ magnétique qui traverse ledit puits. 2) Récipient selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre intérieur du puits est au moins double de celui de l'orifice de coulée et, de préférence, compris entre 5 et 10 fois ce diametre.