Brevet FR2518436A1 — publié le 19830624

"Procédé et dispositif, de type électromagnétique, pour le formage des métaux" La présente invention est relative au formage des métaux. Elle concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, le formage de lingots ou de billettes métalliques de sections déterminées. Dans la technique classique de formage des métaux, on coule le métal en fusion dans un moule pour former, après refroidissement, un lingot solide qui est ensuite amené à sa forme définitive de billette de section plus réduite par passages répétés dans une succession de laminoirs, de sections de passage progressivement décroissantes, la pièce métallique étant en général réchauffée une ou plusieurs fois entre certains passages. Une telle succession de passages à travers des laminoirs implique une dépense considérable d'énergie mécanique et thermique et un matériel fort couteux. L'invention vise à réduire considérablement la dépense d'énergie et de matériel en permettant de donner au métal liquide une forme aussi voisine que possible-de la forme définitive désirée, par exemple la forme d'une billette de section désirée. En effet les forces nécessaires pour déformer une masse de métal liquide sont nettement plus faibles que celles nécessaires pour déformer un métal à l'état solide, plus ou moins pâteux, d'où réduction des dépenses d'énergie mécanique, et il n'est plus nécessaire de procéder à des réchauffages, d'où suppression des dépenses d'énergie thermique.Une fois le métal amené à une première forme (voisine de la forme définitive à lui impartir) par le procédé fort économique selon la présente invention, on l'amènera à sa forme définitive de la manière classique, mais il s'agira alors de faire subir au metal solide une déformation très réduite qui ne demandera pas beaucoup d'énergie mécanique et éventuellement thermique. En définitive on donne au métal liquide une première forme aussi voisine que possible de la forme définitive, on le fige par refroidissement dans cette première forme et on l'amène, à l'état solide, à la forme définitive, par exemple par un nombre très minime de passages dans un ou plusieurs laminoirs. Le procédé selon l'invention pour réaliser le formage des métaux consiste à appliquer, à une masse métallique liquide en mouvement, un champ magnétique alternatif apte à créer, à la périphérie de ladite masse métallique, des courants induits qui engendrent dans cette masse des forces centripètes tendant à la comprimer. Le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé comprend en combinaison, d'une part, un inducteur comportant au moins deux conducteurs allongés sensiblement pa rallèles et des moyens électriques pour faire passer, à travers les conducteurs, des courants alternatifs et, d'autre part, des moyens pour faire circuler à l'intérieur de l'inducteur, entre les conducteurs de celui-ci, la masse métallique liquide à conformer. De préférence l'inducteur comporte au moins une paire de conducteurs ailongés sensiblement parallèles, lesdits moyens électriques faisant passer des courants alternatifs de sens instantanés opposés à travers les conducteurs d'une même paire. On sait que l'on fait apparaître des forces! dans un domaine métallique lorsqu'on soumet celui-ci à un champ magnétique alternatif. En effet tout domaine électroconducteur, placé au voisinage d'un conducteur parcouru par un courant alternatif I, est sujet à des variations de flux produites par le champ magnétique pulsant, d'induction B, engendré par le conducteur; pour lutter contre ces variations de flux, le métal réagit en créant ses propres courants induits J, en opposition de phase avec le courant dans l'inducteur; ces courants sont situés à la périphérie du domaine métallique dans une 1,peau" d'épaisseur d, d'autant plus mince que la conductivité électrique a du milieu est plus grande ou que la fréquence f des courants inducteur's est pllus élevée : d X (of) La direction de ces courants J, perpendiculaire en tout point à celle du champ magnétique qui leur donne nais sance, est optimale pour engendrer la force de Laplace F = J , B, toujours dirigé vers l'intérieur du domaine métallique. I1 existe donc une force de répulsion entre l'inducteur et le domaine métallique. L'exploitation de cette force permet d'imposer une forme donnée à un milieu métallique liquide, sans aucun contact entre le métal et une paroi ou une électrode. L'invention sera mieux comprise à la lumière d'un certain nombre d'explications et de plusieursmodes de réalisation non limitatifs exposés ci-après avec référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 illustre la création de forces centripètes dans le cadr-e de l'invention, dans'une masse métal-' lique au moyen d'un conducteur parcouru par un courant alternatif; - la figure 2 représente la déformation d'une veine métallique liquide, dans le cadre de l'invention, au moyen de deux paires de conducteurs parcourus par des courants alternatifs; - les figures 3 à 7 illustrent différentes formes que l'on peut imposer à une veine métallique liquide par le procédé selon l'invention; - la figure 8 représente en perspective un inducteur selon l'invention pour réaliser le formage des métaux;; - les figures 9 et 10 sont des coupes, par IX-IX et X-X respectivement, de la figure 8; - la figure 11 represente un écran pour l'inducteur de la figure 8; - la figure 12 est une coupe, par XII-XII, de la figure 11; - la figure 13, enfin, représente deux écrans, selon les figures 11 et 12, montés sur l'inducteur de la figure 8. La figure 1 représente schématiquement un conducteur 1 parcouru par un courant alternatif d'intensité instantanée t et créant donc une induction ss autour de lui. Le domaine métallique est illustré en 2; sa "peau" 2a d,'é- paisseur d est le domaine des courants induits J et donc des forces de Laplace F-dirigées vers l'intérieur (forces centripètes) : F = J Bx Ces explications préLiminaires ayant été fournies avec référence â la figure 1, on va se référer maintenant å la figure 2 pour expliquer comment les forces centripètes telles que F de la figure 1 permettent deréaliser le formage d'un flux métallique liquide. Soit, a titre d'exemple non limitatif, une veine libre 3 de métal liquide, initialement circulaire,-s'é- coulant verticalement perpendiculairement au plan de la figure 2, et de révolution autour de l'axe 4 de l'ensem- ble de quatre conducteurs allongés parallèles 5a, 5b, 5c, 5d placés le long des arêtes d'un prisme droit de base carrée. L'alimentation électrique en courant alternatif de ces conducteurs est realisée de telle façon qu a chaque instant les sens du -courant'soient'opposés dans deux conducteurs voisins (tels que b'a, bb ou 5b, 5c).La fréquence f du courant alternatif d'alimentation des conducteurs électriques 5a, 5b, 5c, 5d doit être telle que l'épaisseur d de la peau- 3a soit faible devant le rayon R de la veine 3 de métal avant qu'elle ait subi les effets électromagnétiques d/R en appelant la perméabilité magnétique du milieu métal- lique de la veine 3 et a sa-conductivité électrique. En effet les forces utiles au formage qu'il faut induire dans le métal liquide sont des forces de pression qui doivent etre normales à l'interface 3b séparant le milieu métallique de l'atmosphere ambiante, condition qui est d'autant mieux réalisée que l'épaisseur de peau d est plus faible. Dans le proche voisinage des conducteurs 5a, 5b, 5c, 5d, la force de répulsion F est très intense à cause de l'intensité élevée du champ magnétique d'induction B et des courants induits J, qui en résultent1 dans ces ré- gitons Par contre, dans les régions situées à égale dis tance des couples successifs de conducteurs 5a-5b, 5b-5c, 5c-5d, 5d-5e, parcourus par des courants instantanés de sens opposés (comme visible sur la figure 2), pour de pures raisons de symétrie, le champ magnétique B et les courants induits J associés sont faibles, de même que la force de répulsion ±qu'ils créent. Ainsi la veine 3 de métal liquide a tendance à s'éloigner des conducteurs et à s'étendre le long des plans médiateurs 6 entre ces couples de conducteurs.La forme d'équilibre de la veine résultant de la répartition de forces F, non uniforme le long de la surface libre circulaire, est donc voisine de celle d'une étoile à quatre branches, avec des arêtes arrondies, référencée 7, résultant d'un équilibre entre la pression magnétique (force j et la tension superf i- cielle en chaque point le long de la périphérie de la veine 3. Sur la figure 3 on a illustre en traits pleins, en traits'interrompus et en traits mixtes trois formes respectivement 8, 9 et 10 que peut présenter la périphérie d'une veine métallique liquide, à l'origine de forme circulaire autour de l'axe 4 et s'ecoulant perpendiculairement au plan de la figure 3, lorsqu'elle est soumise à un champ magnétique alternatif produit par le passage de courant alternatif dans des conducteurs allongés parallèles lia, llb, lic, lld, disposés également perpendiculairement au plan de la figure 3, le sens des courants instantanés étant opposé dans deux conducteurs voisins, comme dans le cas de la figure 2 (les sens des courants sont représentés de la manière habituelle sur les figures 2 et 3). Plus l'intensité du courant alternatif est accrue dans les conducteurs lia, llb, îlc, lld, plus la forme d'équilibre de la veine s'écarte de la forme circulaire, c'est-à-dire plus le rapport, entre la plus grande dimension (suivant les axes YY, Y'Y') et la plus petite dimension (suivant les bissectrices ZZ et Z'Z' des axes XX et YY) s'écarte de l'unité. L'alternance des sens instantanés du courant dans les conducteurs lia à ild permet de faire apparaître des gradients-de champ magnétique très importants à l'exté- rieur de la'masse de métal liquide et soumet la veine métallique formée à des forces de rappel qui assurent la parfaite stabilité de la forme d'équilibre obtenue. Cette stabilité assure la constance dans le temps et l'espace de la forme et de l'aire de la section droite de la veine métallique 8, 9, 10. Une analyse théorique permet de prévoir la forme d'équilibre du domaine métallique pour.une intensité du courant alternatif dans les conducteurs lia, ilb, lic, îîd. Des essais effectués avec du mercure ont confirmé les valeurs calculées. Les figures 4 à 7 réprésentent en coupe différentes formes 12, 13, 14, 15 de veine liquide obtenues à partir d'une veine circulaire, au moyen de paires de conducteurs (référencées toutes 16 sur ces figures), parcourues par des courants alternatifs de sens instantanésopposés. On voit donc qu'au moyen de paires de conducteurs parcourus par des courants alternatifs de sens instantanés opposés on peut réaliser le formage d'une veine de métal liquide, de section initiale circulaire, en une veine de métal ayant une section désirée (de telles sections sont illustrées en 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14 et 15 sur les figures 2 à 7). Avec référence aux figures 8 à 13, on va' décrire maintenant un mode de réalisation, donné à titre non limitatif, de la structure d'un inducteur (ensemble de paires de conducteurs) apte à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, qui a'été exposé avec référence aux figures 2 à 7. En considérant tout d'abord les figures .8 à 10, on voit que l'inducteur proprement dit comprend quatre conducteurs 17a, 17b, 17c. et 17d. Ces conducteurs sont constitués par des tubes de cuivre dé section carrée reliés electriquement. Pour éliminer les calories engen drées par le passage du courant dans ces tubes 17a à 17d, on fait circuler à l'intérieur de ceux-ci un fluide de refroidissement arrivant par une tubulure 18, également de section carrée, qui est reliée par des tubulures 18a et 18b, également de section carrée, à la partie supérieure des tubes 17a et 17d par des sections tubulaires arquées 19a et 19d, également de section carrée.Le fluide de refroidissement sort par les tubulures 19b et 19c reliées aux extrémités supérieures des tubes de section carrée 17b et 17c respectivement par des sections tubulaires arquées 21a et 21b respectivement, des tubulures 21a et 21b reliant les extrémites inférieures des conducteurs creux 17a-17b et 17c-17d respectivement pour assurer la continuité de la circulation du fluide de refroidissement. On donne de préférence une légère conicité vers le bas à la figure formée par les quatre conducteurs tubulaires 17a, 17b, 17c et 17d, comme on peut le voir en comparant les parties centrales des figures 9 et 10, la distance a entre deux conducteurs opposes au niveau de la coupe IX-IX étant supérieure à la distance b entre deux conducteurs opposés au niveau de la coupe X-X de la figure 8, afin de compenser la diminution de section de la veine de métal liquide dans sa descente verticale sous l'effet de l'accélération par la pesanteur. Des connexions électriques (non représentées) permettent d'amener le courant électrique. Un inducteur tel que représenté aux figures 8 à 10 permet d'obtenir des ébauches de profilés ayant une section en forme d'étoile à quatre branches du type repré senté sur les figures 2 et 3. Pour obtenir des profilés métalliques dont la section droite est constante dans la direction verticale de la coulée, il faut éliminer toute perturbation d'origine électromagnétique qui tendrait à apparaître en particulier à l'entree de l'inducteur. Le champ magnétique à produire doit être purement bidimensionnel, forme, qui est perturbée par la presence des connexions électriques reliant deux conducteurs voisins ainsi que les conducteurs au circuit d'alimentation en courant alternatif. Pour éliminer ces effets parasites nuisibles, on a prévu des écrans magnétiques illustrés sur les figures 11 à 13 pour annuler le champ magnétique résultant de la présence des connexions électriques. Sur la figure 13 on a représenté deux écrans, à savoir un écran supérieur 22a et un écran inférieur 22b realisés par des plaques de cuivre dont l'épaisseur est supérieure à 11 épaisseur de peau dans le cuivre à la frequence f choisie pour obtenir le formage. L'epaisseur de peau est déterminée pas la formule antérieure 1, mais en désignant cette fois-ci par les lettres v et a respectivement la perméabilité magnétique et la conductivité électrique du, cuivre. Les plaques de cuivre sont également creuses, comme on le voit en section sur la figure 12, de manière à éliminer les calories produites dans leur masse par effet Joule, en y faisant circuler un fluide refroidisseur. La, plaque inférieure 22b comporte en son centre une ouverture rectangulaire 23 pour permettre le passage du raccordement des sections tubulaires arquées 19a, l9b, 19c-19d avec les tubes liat 17b, 17c, 17d;'des-rbndelles en caoutchouc 24 séparent la partie supérieure des sections précitées des plaques 22a et 22b. La plaque supérieure 22a comporte également une ouverture du type 23 pour permettre le passage' de la veine liquide à l'inte- rieur de l'inducteur, mais pour cette plaque supérieure, on peut prévoir avantageusement une section circulaire pour l'ouverture de passage. Les trous 25 servent au passage des vis-de fixation des plaques 22a, 22b et des rondelles 24. A cause des phénomènes d'induction dont les écrans sont le siège de la part des courants électriques parcourant les connexions, des courants induits apparaissent qui sont en opposition avec les courants dans les connexions. De ce fait au sommet de l'inducteur le champ magnétique est nul et l'effet parasite des connexions anihilé. De tels écrans peuvent également être utilisés à l'extrémité inférieure de l'inducteur. Dans un mode de réalisation ayant servi à réaliser des expériences de laboratoire sur une veine de mercure initialement de section circulaire qui était amenée à une forme du type illustré sur la figure 2, on a utilisé un inducteur selon les figures 8 à 13 constitué par des tubes de cuivre de section rectangulaire (4 mm x 8 mm avec une épaisseur de 1 mm) parcourus d'eau pour eliminer les calories produites par effet Joule. Les conducteurs sont places radialement autour de l'axe de la veine métallique. Deux conducteurs diamétralement opposés sont séparés de 10 mm. La longueur de l'inducteur est de 200 mm. Les crans sont constitués de deux plaques de cuivre, placées de part et d'autre des connexions, de 50 mm x 50 mm pour 1,5 mm d'épaisseur. L'intensité du courant électrique dans les conducteurs peut atteindre 2500 A pour une tension de l'ordre de 600 V.La fréquence f utilisée est i75 KHz, ce qui correspond à une profondeur de peau de 1,2 mm. La vitesse de coulée de la veine métallique formée est de 1 m/s. Le rapport d'aspect entre la plus grande et la plus-faible dimension de l'ébauche du profilé peut atteindre 6 dans les conditions définies ci-dessus. Finalement on peut, avec un inducteur du type illustré sur les figures 8 à 13, réaliser un profilé à l'état liquide, ayant une section du type illustré sur les figures 2, 3 ou 4. Avec des inducteurs comportant plus de deux paires de conducteurs, on peut réaliser des profilés selon les figures 5, 6 ou 7. Les règles de construction des inducteurs, déduites de considérations théoriques et expérimentales, sont les suivantes : pour obtenir une surface libre plane il suffit de créer un effort de répulsion uniforme en plaçant plusieurs conducteurs parallèles parcourus par des courants de même sens; pour faire apparaître une excroissance (aile de profilé par exemple) il suffit de placer au voisinage de la surface libre initiale deux séries de conducteurs parallèles parcourus par des courants de sens contraires : le plan de symétrie de cés deux rangées de conducteurs est une zone où la force de répulsion faible permet au liquide de s'étendre. Dans le cas où la géométrie initiale de coulée de la veine métallique est très éloignée de la forme souhaitée, une zone de transition de préformage peut être ménagée' à l'amont immédiat de l'inducteur de formage proprement dit. Dans cette zone les conducteurs assurant le formage sont utilisés mais ils s'évasent afin de venir entourer la veine métallique à former. La transition entre la géométrie de départ et-la géométrie finale est donc assurée. Une fois une ébauche de profilé obtenue par le procédé et le dispositif selon l'invention, il suffit de laisser figer le métal par refroidissement, puis; au moyen d'un ou plusieurs passages dans des laminoirs classiques, amener le profilé à la forme finale désirée. Etant donné que la plus grande partie de la deformation a été réalisée à l'état liquide, l'énergie nécessitée par la déformation totale pour obtenir la forme ,défini- tive est considérablement réduite, ce qui est l'avantage essentiel de l'invention. L'invention s'applique au formage de différents métaux tels que l'acier, l'aluminium, le cuivre et leurs alliages, sans que cette énumération soit limitative. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement-à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le formage des métaux, caractérisé par le fait qu'il consiste à appliquer, à une masse métallique liquide en mouvement, un champ magnétique alternatif apte à créer, à la périphérie de ladite masse métallique, des courants induits qui enaendrent dans cette masse des forces centripètes tendant à la comprimer. 2. Procédé selon la revendication 1, caractErisé- par le fait que le champ magnétique alternatif est engendré par au moins deux conducteurs électriques allongés sensiblement parallèles parcourus par des courants alternatifs. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le champ magnétique est engendré par au-moins une paire de conducteurs allongés sensiblement parallèles, les deux conducteurs de chaque paire étant parcourus par des courants alternatifs ayant des sens instantanes opposés. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel la masse métallique liquide en mouvement a- la forme d'un cylindre de section circulaire et présente donc un axe de révolution, caractérise par le fait que la configuration du champ magnétique, qui détermine la forme imposée à la masse métallique liquide, a un axe de symétrie confondu avec l'axe de révolution de la masse métallique en mouvement. 5. Dispositif pour le formage des métaux par la mise en oeuvre du procédé selon l'ensemble des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comprend en combinaison, d'une part, un inducteur comportant au moins deux conducteurs allongés sensiblement parallèles et des. moyens électriques pour faire passer, à travers les conducteurs, des courants alternatifs et, d'autre part, des moyens pour faire circuler à l'intérieur de l'inducteur, entre les conducteurs de celui-ci,la masse métallique liquide, à conformer. 6. Dispositif selon la revendication 5 pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, caracté risé par le fait que l'inducteur comporte au moins une paire de conducteurs allongés sensiblement parallèles, lesdits moyens électriques faisant passer des courants alternatifs de sens instantanés opposes à travers les conducteurs d'une même paire. 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la masse métallique liquide en mouvement a la forme d'ùn cylindre de section circulaire et présente donc un axe de révolution, caractérisé par le fait que l'inducteur comporte un axe de symétrie autour duquel sont.disposees les paires de conducteurs,- cet axe de symétrie étant confondu avec l'axe de révolution de- la masse' métallique en mouvement. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que la fréquence des courants alternatifs est telle que-le rapport d/R soit beaucoup plus petit que 1, en appelant R le rayon moyen de la masse métallique liquide en mouvement et d l'épaisseur de peau de pénétration des courants induits dans cette masse, d étant déterminé par la formule, dans laquelle 1 est la perméabilité magnétique du milieu métallique en mouvement, a la conductivité électrique de ce milieu métallique et f ladite fréquence. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que l'inducteur est constitué essentiellement par deux paires de conducteurs allongés sensiblement verticaux dont la figure d'ensemble présente une légère conicité vers le, bas, la masse métallique se déplaçant de bas en haut entre les deux paires de conducteurs. 10. Dispositif--selon l'une quelconque des revendications 5- à 9, caractérisé par le fait que les conducteurs sont des tubes creux à travers lesquels on fait circuler un fluide de refroidissement. 11. Dispositif selon l'une quelconque, des revendications 5 à 10, caractérisé par le fait que l'inducteur présente à sa partie formant entrée, pour la nasse métallique liquide en mouvement, au moins un écran pour éliminer les effets parasites des connexions électriques. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par ie fait que les écrans sont réalisés par des plaques de cuivre dont l'épaisseur est supérieure à l'épaisseur de peau d dans le cuivre à la fréquence du courant alternatif, donnée par la formule dans laquelle ," est la perméabilité magnétique du cuivre, a la conductivité électrique du cuivre et f la fréquence.