Brevet FR2483818A1 — publié le 19811211

La présente invention est relative à l'agitation de métaux en fusion et concerne un appareil pour agiter les métaux en fusion. Lors de la coulée de métaux,par exemple coulée continue d'acier,on coule l'acier en fusion dans un moule en cuivre à refroidissement hydraulique qui définit la forme de la section du produit à mouler,dit ci-après lingotlequel émerge de la base du moule sous forme continue. En entrant en contact avec le moule,l'acier en fusion se solidifie pour former une croûte qui s'épaissit graduellement,à mesure que le lingot avance à travers le moule,jusqu'à former,à l'extré- mité inférieure du moule,une paroi d'épaisseur suffisante pour retenir le coeur encore liquide du lingot. Une fois sorti du moule,le lingot est normalement encore refroidi par des jets d'eau,de sorte que le coeur subit un refroidis- sement et une solidification graduels qui progressent a partir de sa surface extérieure,jusqu'à ce que la totalité du lingot soit solidifiée. Si on laisse l'acier se solidifier dans des condi- tions normales,il se. forme une structure non homogène dans laquelle des impuretés présentent une distribution non accidentelle dans tout le lingot et, en outrela structure cristalline du lingot varie entre les régions extérieures, soumises au cours de la solidification à des gradients de température élevés,et les régions intérieures qui subissent des gradients de température relativement faibles. Pour obtenir une structure homogène,il est souhaita- ble d'agiter le métal en fusion pendant tout le processus de coulée. On sait agiter le métal encore liquide au coeur du lingot au moyen de transducteurs électromagnétiques placés autour du lingot à l'endroit o il émerge du moule. Toutefois,en généralces procédés n'assurent pas l'agitation adéquate du métal dans la région du moule et les lingots ainsi obtenus présentent une discontinuité,parfois dite "bande blanche". Il est donc souhaitable de prévoir une forme d'agitation dans la région même du moule. On a tenté d'assurer une telle agitation en plaçant des transducteurs électroma- gnétiques autour du moule. Toutefois,jusqu'à ce jour,il s'est avéré difficile d'obtenir une agitation adéquate à l'intérieur du moule. Il en est ainsi principalement à cause de la haute conductibilité électrique du moule en cuivre,qui atténue sensiblement le champ magnétique,mais aussi parce que les transducteurs sont difficiles à positionner autour du moule, étant donné qu'en vue d'un effet maximum,il faudrait les placer à l'intérieur de la jaquette eau de refroidisse- ment du moule. Suivant un aspect,la présente invention concerne un appareil pour agiter un métal en fusion dans un moule à sommet ouvert qui comporte un moyen placé au-dessus du moule pour engendrer un champ magnétique à mouvement linéaire (M) qui pénètre de haut en bas dans le moule. Le champ magnétique engendré par cet appareil induit des courants de Foucault dans le métal en fusion contenu dans le moule et les champs engendrés par ces courants de Foucault entrent en interaction avec le champ magnétique variable et font que le métal en fusion présent dans la partie supérieu- re du moule se déplace linéairement,dans des plans parallè- les,ou sensiblement parallèles,à la surface du métal en fu- sion présent dans le moule. Le mouvement imprimé au métal en fusion dans la partie supérieure du moule est avantageu- sement parallèle aux parois opposées de celui-ci. En attei- gnant l'extrémité du moule,le métal en fusion se déplace vers le bas;il s'écoule ensuite en sens opposé à celui du mouvement imprimé,dans la partie inférieure du moule,puis remonte le long de l'autre paroi d'extrémité,circulant ainsi dans tout le moule. Cette forme d'agitateur convient particulièrement pour des moules rectangulaires oblongs,tels que ceux servant à la coulée continue d'aluminium. Selon un aspect préféré de la présente invention, le moyen engendrant les champs magnétiques variables est un transducteur électromagnétique. Ce transducteur électroma- gnétique,qui est généralement fixe,peut avantageusement être formé d'une série de conducteurs électriques capables de transporter un courant intense,ces conducteurs étant dis- posés parallèlement ou pratiqemen. t parallèlement les uns aux autres et espacés au-dessus du sommet ouvert du moule, chacun d'eux étant relié à une phase différente d'un courant d'alimentation alternatif polyphasé, l'ordre de succession des conducteurs étant le même que celui des phases. De préférence,les conducteurs électriques sont réali- sés en des matières conductrices de l'électricité non ferromagnétiquesopar exemple en cuivre,sous la forme de bou- cles fermées. Des courants intenses sont induits dans ces boucles par des bobines d'excitation qui peuvent être soit bobinées directement sur le conducteurrsoit couplées à celui- ci par des noyaux ferromagnétiques. Dans un mode de réali- sation préféré,une série de boucles fermées sont disposées parallèlement les unes aux autres,ces boucles étant agencées de façon que chacune d'elles s'étende dans un plan parallèle, ou sensiblement parallèle,à la surface du métal en fusion présent dans le moule. Ces boucles peuvent être soit indi- viduelles,soit reliées les unes aux autres sous forme d'échelle. Etant donné que le champ magnétique engendré par le transducteur pénètre dans le métal en fusion présent dans le moule à travers le sommet ouvert du moule et non à travers les parois de celui-ci,il y a relativement peu d'atténuation du champ magnétique et l'on peut donc utiliser des fréquences de secteur normales,de 50 à 60 Hz,au lieu des fréquences plus faibles qui s'avéraient nécessaires avec des agitateurs places autour du moule. Généralement,le transducteur électro- magnétique est conçu de façon que,lorsque les bobines d'exci- tation sont reliées chacune à une phase différente d'un courant alternatif triphasé d'alimentation secteur,un cou- rant de plus de 10 000 A avec une chute de tension de 1 ou 2 V et une fréquence de 50 à 60 Hz se trouve induit dans les conducteurs. On peut renforcer l'intensité du champ magnétique induit par les conducteurs électriques,qui pénètre dans le moule,en prévoyant des pièces polaires ferromagnétiques. 24e3as3 Ces pièces polaires sont disposées de manière à offrir un trajet à faible réluctance au champ magnétique au-dessus du sommet des conducteurs,tout en laissant subsister un trajet à réluctance relativement forte au-dessous des conducteurs, de façon que les fuites de champ magnétique au-dessus du moule soient réduites et que le champ soit concentré au- dessous des conducteurs,là o il pénètre dans le moule. On va maintenant décrire,à titre de simple exemple illustratif,diverses réalisations de la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: Fig.1 représente un appareil de-coulée continue comportant un agitateur électromagnétique selon la présente invention; et Fig.2 est une vue en coupe partielle illustrant une variante de l'agitateur représenté sur la figure 1. Comme représenté sur la figure l,un appareil pour la coulée continue d'aluminium comprend un moule en cuivre 10, rectangulaire,défini par deux parois longitudinales 11 et par deux parois d'extrémité 12. De l'aluminium en fusion 13 est coulé dans le sommet du moule 10 dans lequel il se soli- difie en entrant en contact avec les parois li,12 du moule 10 pour former une croûte qui s'épaissit graduellement à mesure de l'avance à travers le mole 10,jusqu'à émerger à l'extrémi- té inférieure du moule sous forme de produit ou lingot conti- nu 14. En émergeant de la base du moule l0,le lingot 14 n'est que partiellement solidifié,mais sa croûte est assez épaisse pour retenir le coeur liquide qui se solidifie rapidement pour former finalement un lingot solide. Un transducteur électromagnétique 15 est disposé au-dessus du sommet ouvert du moule en cuivre 10. Ce transducteur 15 est formé de fortes barres en cuivre 18,19 et a la forme de deux boucles fermées 16 et 17, définies par deux barres 18,parallèles aux parois longitudinales 11 du moule l0,et par trois barres transversales 19,parallèles aux parois d'extrémité 12 du moule 10. Le transducteur est placé parallèlement au sommet du moule 10,de sorte que le plan des boucles 16 et 17 est sensiblement parallèle à la surface de l'aluminium en fusion 13 présent dans le moule 10. 2438181 Des bobines d'excitation 20, 21 et 22 sont bobinées autour des trois barres transversales 19 et reçoivent chacune une phase différente d'un courant d'alimentation alternatif triphasé, l'ordre de succession des bobines 20, 21 et 22 étant le même que celui des phases. De cette manière, les courants qui traversent les bobines 20 et 21 induisent un courant dans la boucle fermée 16 et les courants qui traver- sent les bobines 21 et 22 induisent un courant dans la boucle fermée 17. Les bobines d'excitation 20, 21 et 22 sont telles que le courant alternatif d'alimentation secteur induit un courant de l'ordre de 12 000 A avec une chute de tension de l'ordre de 1 V dans les boucles 16 et 17. Si l'on considère un point donné de la période du courant secteur triphasé,le courant induit dans la boucle 16 engendre à travers celle-ci un champ magnétique dirigé vers le bas et le courant induit dans la boucle 17,de sens opposé à celui traversant la boucle 16,induit dans la boucle 17 un champ magnétique dirigé vers le haut. Par conséquent, la boucle 16 fait apparaître un pôle nord et la boucle 17 un pô- le sud au-dessous de la boucle. Au cours du déroulement de la période du courant secteurles courants présents dans les boucles 16 et 17 s'inversentde sorte que le pôle norel présent au-dessous de la boucle 16 devient pôle sud et que le pôle sud présent au-dessous de la boucle 17 devient pôle nord, et ainsi de suite. Le transducteur 15 engendre ainsi un champ magnétique qui est en fait animé d'un mouvement linéaire. Les champs magnétiques variables engendrés par les boucles 16 et 17 induisent,dans la couche superficielle de l'aluminium en fusion 13 présent dans le moule 10, des cou- rants de Foucault qui engendrent eux-mêmes des champs magnéti- ques. L'interaction survenant entre les champs magnétiques établis par les courants de Foucault et le champ magnétique établi par le transducteur 15 fait que l'aluminium en fusion 13 se déplace avec le champ magnétique engendré par le transducteur 15,suivant les flèches X,ce qui fait circuler l'aluminium en fusion 13 dans le moule 10. 6 24819 Le transducteur électromagnétique 15 décrit ci-dessus engendre des champs magnétiques égaux et opposés au-dessus et au-dessous de chacune des boucles 16 et 17. Attendu que seuls les champs établis au-dessous des boucles 16 et 17 impriment un mouvement à l'aluminium en fusion 13, l'effica- cité globale de cet agitateur est limitée. On peut augmenter sensiblement cette efficacité en incorporant à l'agitateur des pièces polaires- ferromagnétiques de la manière illus- trée par la figure 2. Sur la figure 2,les barres en cuivre 18 et 19 sont entourées par des pièces polaires ferromagnétiques 25, en forme de gouttière retournêe,qui recouvrent les faces supé- rieures et latérales des barres 18,19. Ces pièces polaires offrent des trajets à faible réluctance aux champs magné- tiques engendrés par les courants qui traversent les boucles 16 et 17 et, ainsi,réduisent sensiblement les fuites de champ magnétique au-dessus du transducteur 15 et concentrent ce champ au-dessous du transducteur 15, comme illustré par la figure 2. Avantageusement,la pièce polaire ferromagnétique 25 peut être formée de multiples lames. Lorsqu'on utilise des pièces polaires à lames multiples,on recouvre avantageu- sement les tranches exposées des lames d'une feuille de ma- tière non magnétique,telle que l'acier inoxydable,pour leur éviter des dommages provoqués par des projections de métal en fusion 13 à partir du moule. En outre,dans la réalisation illustrée par la figure 2,on utilise un courant d'alimentation alternatif biphasé, chaque boucle 16 et 17 ne comportant qu'une seule bobine d'excitation 26,27,bobinée autour de l'une des barres longi- tudinales 18. Il est clair qu'il est commode d'utiliser un cou- rant d'alimentation secteur alternatif triphasé. Toutefois, comme illustré par la figure 2,on peut adopter tout courant d'alimentation polyphasé convenant selon le nombre de bou- clesfermées du transducteur. Le nombre de boucles fermées utilisées dépend des dimensions du moule car il est nécessaire,dans la plupart des applications,de ménager un accès relativement dégagé au sommet du moule. Un agence- 248381US ment à double boucle,tel que représenté sur la figure l,ou un agencement comptant un nombre de boucles égal à un multiple de trois avec une seule bobine d'excitation par boucle,serait le plus indiqué pour l'utilisation avec un courant d'alimenta- tion secteur alternatif triphasé. Dans les réalisations décrites cidessus,les bobines d'excitation 20, 21, 22,26 et 27 sont bobinées directement sur les barres en cuivre 18,19. Or, ces barres sont chauffées par la chaleur rayonnante que dégage le métal en fusionainsi que par les courants intenses qui les traversentet il existe donc le risque de voir les bobines d'excitation 20, 21, 22, 26 et 27 endommagées par un excès de chaleur. On peut éviter ce risque en couplant les bobines d'excitation 20, 21 22, 26 et 27 aux barres de cuivre 18,19 au moyen de noyaux ferromagnétiques. Ces noyaux peuvent être avantageusement formés de lames multiples. En variante ou en outre,pour épar- gner des dommages aux bobines d'excitation 20, 21,22,26 et 27, on peut refroidir soit les barres en cuivre 18,19,soit les bobines d'excitation 20, 21,22,26 et 27 elles-mêmes. Un mode d'obtention de ce résultat consiste à prévoir,dans les barres en cuivre 18,19,des conduits dans lesquels puisse cir- culer un liquide de refroidissementpar exemple de l'eau. Bien que les agitateurs du type décrit ci-dessus conviennent particulièrement pour une utilisation avec des moules rectangulaires oblongs tels que ceux servant couram- ment à la coulée continue d'aluminiumon peut les utiliser avec des moules de formes différentes et pour agiter d'autres métaux en fusion. Les agitateurs peuvent aussi servir dans d'autres formes de moules à sommet ouvert,par exemple des lingotières. En outre,bien que les transducteurs décrits ci-dessus soient particulièrement indiqués pour agiter des métaux en fusion dans des récipients ouverts à parois en des matières à haute conductivité électrique qui atténueraient notablement la pénétration d'un champ magnétique dans le récipient,ils peuvent aussi servir à agiter des métaux en fusion dans des récipients ouverts ou fermés en des matières à conductivité électrique faible ou nulle. On peut apporter diverses modifications aux réalisations décrites ci-dessus,sans sortir du cadre de l'in- vention. Par exemple,dans l'une quelconque des réalisations o les bobines d'excitation sont décrites comme directement bobinées sur les conducteurs en cuivre,il est nécessaire de prévoir une isolation adéquate et, en outre,les bobines sont de préférence bobinées sur un noyau ferromagnétique de forme appropriée,par exemple de forme toroldale. s 24e3813 REVENDICATIONS 1.Appareil pour agiter un métal en fusion (13) dans un moule à sommet ouvert (10),caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (15) placé au-dessus du moule pour engen- drer un champ magnétique à mouvement linéaire (M)qui pénètre de haut en bas dans le moule. 2.Appareil selon la revendication 1,caractérisé en ce que ledit moyen pour engendrer un champ magnétique est cons- titué par un transducteur électromagnétique fixe. 3. Appareil selon la revendication 2,caractérisé en ce que le transducteur électromagnétique est formé d'une sé- rie de conducteurs électriques (18,19) capables de transpor- ter un courant intense,lesdits conducteurs étant disposés parallèlementou sensiblement parallêlementles uns aux au- tres et places au-dessus du sommet ouvert du moule,chacun des conducteurs étant relié à une phase différente d'un courant d'alimentation alternatif,l'ordre de succession des conduc- teurs étant le même que celui des phases. 4.Appareil selon la revendication 3,caractérisé en ce que les conducteurs électriques sont sous forme de bou - cles fermées (16,17)formées de barres en matière conductrice de l'électricité non ferromagnétique,des bobines d'excita- tion (20, 21,22,26,27)étant prévues pour induire des courants alternatifs dans lesdites boucles. 5.Appareil selon la revendication 4,caractérisé en ce qu'une pluralité de boucles fermées sont disposées parallèle- ment,ou sensiblement parallèlement,les unes aux autreslesdi- tes boucles étant disposées de façon que chacune d'elles s'étende dans un plan parallèle,ou sensiblement parallèle, à la surface du métal en fusion présent dans le moule. 6.Appareil selon la revendication 5,caractérisé en ce que les boucles fermées sont reliées les unes aux autres sous forme d'échelle. 7.Appareil selon l'une quelconque des revendications 3 à 6,caractérisé en ce que les conducteurs électriques sont en cuivre. 8.Appareil selon l'une quelconque des revendications 3 à 7,caractérisé en ce que les conducteurs sont munis de pièces polaires ferromagnétiques (25)qui réduisent les fuites du champ magnétique audessus du transducteur et concentrent le champ au-dessous de ce dernier. 9.Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 et 8,caractérisé en ce que les pièces polaires ferroma- gnétiques sont en forme de gouttière renversée,de façon à recouvrir les faces supérieures et latérales des barres con- ductrices de l'électricité non ferromagnétiques. 10.Appareil selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que les pièces polaires ferromagnétiques sont formées de multiples lames. 11.Appareil selon la revendication l0,caractérisé en ce que les extrémités exposées des lames sont recouvertes d'une feuille de matière non ferromagnétique. 12.Appareil selon l'une quelconque des revendications 3 à 11,caractérisé en ce que les conducteurs électriques subissent un refroidissement. 13.Appareil selon la revendication 12,caractérisé en ce que les conducteurs électriques sont munis de conduits à travers lesquels un liquide de refroidissement peut circuler. 14.Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 13,caractérisé en ce que chaque bobine d'excitation (20, 21,22,26,27) est bobinée autour du conducteur électrique associé. 15.Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 13,caractérisé en ce que chaque bobine d'excitation est couplée au conducteur associé par un noyau ferromagnétique. 16.Appareil selon l'une quelconque des revendica- -30 tions 2 à 15,caractérisé en ce que le transducteur est excité par un courant d'alimentation alternatif polyphasé ayant une fréquence de 50 à 60 Hz. 17.Appareil selon l'une quelconque des revendications 3 à 16,caractérisé en ce que le courant traversant les conducteurs est d'au moins 10 000 A avec une chute de tension d'environ 1 ou 2 V. 1 1 18. Dispositif de coulée continue,caractérisé en ce qu'il comporte un moule et un agitateur selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 17,ledit agitateur étant placé au-dessus du moule et étant agencé pour engendrer un champ magnétique à mouvement linéaire qui pénètre dans le moule,