Brevet FR2525508A1 — publié le 19831028

"Procédé d'élaboration de rubans ou lames métalliques li quides minces destinés notamment à réaliser des rubans ou des tôles métalliques solides minces, de préférence amorphes, et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé" La présente invention concerne l'élaboration de rubans ou lames métalliques liquides minces, puis de rubans ou de tôles métalliques solides minces, notamment pour obtenir des matériaux métalliques amorphes. On sait en effet que l'on effectue, pour certaines applications métallurgiques et notamment pour l'obtention de matériaux métalliques amorphes, la coulée d'un métal ou alliage liquide sous la forme de rubans ou lames de très faible épaisseur, puis le figeage du métal liquide dans toute la masse du ruban ou de la lame par une ultratrempe, en empêchant ainsi la cristallisation de la masse métallique. Toutefois l'élaboration industrielle de tels rubans ou lames minces pose, à l'heure actuelle, des problèmes très ardus. En effet on réalise actuellement le ruban ou la lame métallique mince, à l'état liquide, par passage d'une masse métallique liquide à travers une fente matérielle allongée très fine terminant, à sa partie inférieure, une buse de coulée. Deux inconvénients principaux apparaissent du fait de la coulée à travers la fente allongée très fine de la buse - d'une part, la durée de vie de la buse de coulée est très limitée à cause de l'érosion importante provoquée par l'écoulement du liquide à haute température et à grande vitesse; - d'autre part, l'érosion de la fente n'est pas uniforme sur tout le périmètre. L'écoulement du métal liquide est donc perturbé et des instabilités apparaissent qui, dans la plupart des cas, entrainent la division de la masse liquide du ruban et sa résolution en fils ou en gouttelettes, favorisée par l'effet de la tension superficielle. Des prouesses technologiques sont de ce fait nécessaires pour parvenir à tremper très rapidement le ruban, dès qu'il est formé, avant que des instabilités n'aient eu le temps de se développer : l'arnorphisation de la masse métallique en cours de solidification, liée en partie à la propreté géométrique du ruban ou de la tôle, peut être obtenue lorsque le substrat refroidi au contact duquel se réalise la trempe, se trouve placé à quelques dizièmes de millimètres de la fente de la buse de coulée. Par ailleurs, l'érosion de la fente de coulée entraine une pollution du métal liquide et donc de la masse métallique trempée finalement obtenue. L'invention vise à pallier les inconvénients précités en réalisant l'élaboration du ruban ou lame mince de métal ou alliage liquide, non pas au moyen d'une fente matérielle allongée fine, mais gracie à un champ magnétique alternatif à haute fréquence confinant une masse métallique en chute libre pour lui imposer la forme d'un ruban ou lame mince. On sait en effet que tout milieu électroconducteur déformable, tel qu'une masse métallique liquide, placé dans un champ magnétique alternatif de géométrie donnée et de fréquence élevée, a tendance à se déformer de fa çon à perturber le moins possible la géométrie du champ magnétique auquel il est soumis. La fréquence peut être considérée comme élevée si la profondeur de pénétration 6 du champ magnétique dans le milieu électroconducteur, en équilibre sous l'action des forces électromagnétiques et des forces de surface antagonistes, est plus petite que la moitié de la dimension la plus faible du milieu électroconducteur considéré.Ainsi, pour obtenir une lame ou un ruban de faible épaisseur à partir d'un cylindre de métal liquide de section absolument quelconque (obtenu par exemple à la sortie d'une buse verticale à orifice de sortie circulaire), il suffit de soumettre ce dernier à l'action d'un champ magnétique à haute fréquence, quasiunidirectionnel, de telle sorte que les surfaces magnéti ques soient des plans parallèles à l'axe du cylindre. Dans ce cas les forces électromagnétiques localises à la périphérie du milieu métallique électroconducteur, dans la peau électromagnétique de celui-ci, sont des forces de pression normales à l'interface entre le mental liquide et l'atmosphère ambiante. La frontière du milieu métallique électroconducteur soumis à de telles forces a tendance à se placer parallèlement aux surfaces de champ magnétique et se compose de deux plans parallèles, dans lesquels la tension superficielle a un effet négligeable, raccordés par deux demi-cylindres dont le rayon résulte de l'équilibre antagoniste entre la pression magnétique et les forcez de tension superficielle. Si a désigne l'épaisseur de ruban ou lame désirée, la fréquence minimale f mini du champ magnétique doit être telle que 2 6 = a, soit expression dans laquelle p désigne la perméabilité magnétique du métal liquide et a sa conductivité électrique. La fréquence minimale fmini est en général élevée, avec les métaux courants, pour des épaisseurs faibles (a c 1 mm). Ainsi pour le zinc ou l'acier et une épaisseur de 1 mm pour le ruban ou la lame, les fréquences minimales sont respectivement de 350 KHz et 1 MIiz. Cependant on peut noter que - compte tenu, d'une part, de la décroissance exponentielle très rapide du champ magnétique à l'intérieur du métal liquide et, d'autre part, du fait que la fréquence est fonction de a des fréquences quelque peu inférieures à la "fréquence minimale" sont acceptables, au prix toutefois d'une dépense supplémentaire de puissance.En particulier la mise en oeuvre d'une fréquence égale à la moitié de la "fréquence minimale" conduit, pour un courant inducteur donné, à une réduction de la pression magnétique par un facteur e (e étant la base des logarithmes népériens), e+1 soit 0,73, donc à une diminution du champ magnétique e 1/2 effectif dans un rapport (e+1) = 0,855. Pour obtenir un effet identique à celui correspondant à une fréquence égale à f mini il convient dans ce cas d'accroitre les ampère-tours créant le champ magnétique, et donc la puis e+1 1/2 sance dépensée, dans un rapport ( e ) = 1 17. On voit donc qu'on peut compenser une diminution de la fréquence du champ magnétique alternatif par une augmentation de l'intensité de ce champ.Toutefois, lorsque la fréquence 1 descend notablement sous 2 fmini, la puissance doit être notablement augmentée. L'invention a donc pour objet - un procédé d'élaboration d'un ruban ou lame métallique liquide mince, à partir d'un jet métallique liquide se déplaçant sensiblement en direction verticale, caractérisé en ce qu'on crée, dans une zone du jet, un champ magnétique alternatif de fréquence et d'intensité suffisantes pour aplatir le jet et lui donner la forme d'un ruban ou lame liquide d'épaisseur désirée; - un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité, caractérisé en ce qu'il comporte, en aval de la sortie inférieure d'une buse créant un jet métallique liquide se déplaçant sensiblement en direction verticale, des moyens aptes à créer un champ magnétique alternatif de fréquence et d'intensité suffisantes pour aplatir le jet et lui donner la forme d'un ruban liquide d'épaisseur désirée; ces moyens sont avantageusement constitues par une paire de bobines portées par au moins un noyau de ferrite entourant une zone du jet, ces bobines ayant notamment un axe commun perpendiculaire à l'axe du jet métallique liquide. Lorsqu'on désire obtenir finalement un ruban ou tôle métallique solide mince - le procédé est caractérisé en ce qu'en outre on refroidit brusquement le ruban ou lame liquide ainsi formé afin de réaliser l'ultratrempe de celui-ci; - le dispositif est caractérisé en ce qu'il com prend en outre, en aval des moyens aptes à créer le champ magnétique, des moyens de refroidissement pour refroidir brusquement le ruban ou lame liquide ainsi formé afin de réaliser l'ultratrempe de celui-ci, ces moyens de refroidissement étant avantageusement constitués par au moins un cylindre tournant autour d'un axe horizontai, disposé en aval des moyens aptes à créer le champ magnétique au niveau où le ruban ou lame métallique liquide d'épaisseur désirée a été formé, pour que ledit ruban ou lame vienne en contact avec la surface supérieure dudit cylindre. On voit que grâce à l'invention on supprime la fente allongée mince de la technique antérieure qui présente de nombreux inconvénients, le champ magnétique produisant l'aplatissement du jet liquide grâce aux lignes de force magnétiques. En outre ces lignes de force ont un effet stabilisant sur le jet aplati, ce qui permet d'obtenir un ruban ou une lame qui reste de forme stable malgré sa très faible épaisseur, ce qui n' est pas le cas pour des rubans ou lames obtenus au moyen d'une fente mince. En fait le champ magnétique mis en oeuvre selon l'invention permet, lorsqu'il a la géométrie, l'intensité et la fréquence désirées, d'étirer, sous la forme d'un ruban ou lame mince, un jet de métal fondu issu d'un orifice circulaire dont le diamètre est beaucoup plus grand que l'épaisseur du ruban ou lame que l'on veut obtenir. Si l'érosion demeure avec un orifice de coulée circulaire, elle est beaucoup moindre qu'avec une fente de faible épaisseur et de section droite équivalente. De plus les risques de bouchage sont fortement réduits. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. La figure 1 montre, vu en plan, les noyaux de ferrite des moyens pour créer le champ magnétique. La figure 2 est une coupe par II-II de la figure 1. La figure 3 montre, vu en plan, l'ensemble Qes moyens pour créer le champ magnétique (noyaux de ferrite et bobines), sans l'alimentation électrique. Les figures 4 et 5 illustrent, par des vues en élé- vation suivant deux directions perpendiculaires entre elles, les moyens pour créer le champ magnétique et la formation d'un ruban ou lame liquide très mince à partir d'un jet circulaire. La figure 6, enfin, est une vue analogue à la figure 4, mais montrant les moyens (constitués par un cylindre tournant) pour réaliser le refroidissement hrusque du ruban ou lame liquide afin d'assurer l'ultratrempe de celui-ci. Selon l'invention et plus spcialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que selon ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la prèférence, se proposant, par exemple, d'élaborer un ruban ou lame métallique liquide mince, puis, à partir de celui-ci, un ruban ou tôle solide mince, on s'y prend comme suit ou d'une manière analogue. Référence étant d'abord faite aux figures 1 à 3, on voit que les moyens pour créer le champ magnétique peuvent être réalisés avantageusement par la combinaison de - deux noyaux la, lb de ferrite, en C, destinés à concentrer et à augmenter l'intensité du champ magnétique dans la région active; - deux bobines ou solénoïdes 2a, 2b disposés autour de ces noyaux; et - des moyens (non représentés) pour alimenter ces bobines par des courants alternatifs en phase, afin d'engendrer le champ magnétique désiré, la fréquence de ces courants répondant aux conditions précitées. Les bobines ou solénoides 2a, 2b sont réalisés en tube de cuivre creux, isolé, parcouru par une circulation d'eau destinée à éliminer la chaleur produite par effet Joule. Le diamètre extérieur du tube formant les bobines doit être aussi réduit que possible de façon à concentrer le plus possible les ampère-tours au voisinage des noyaux de ferrite. Ce diamètre résulte donc d'un compromis entre cette nécessité et celle d'augmenter la surface d'échange cuivre-eau pour assurer une élimination efficace des calories. Un tube de diamètre intérieur égal à 4 mm et de diamètre extérieur égal à 6 mm peut être avantageusement utilisé dans la plupart des cas. Dans une réalisation particulière, les bobines 2a, 2b sont constituées par deux couches de trois spires chacune. Les bobines 2a, 2b sont en fait placées, en cours de fonctionnement, de part et d'autre du jet 3 de métal liquide à aplatir, de façon que leur axe commun XX soit perpendiculaire à l'axe YY du jet (figures 4 à 7). Le circuit de ferrite est constitué par les deux noyaux en C la, lb. Compte tenu de la fréquence enlevée utilisée, un échauffement des noyaux se produit; il faut limiter celui-ci de façon à maintenir la température des noyaux sous le point de Curie des ferrites. Pour cela, un circuit de refroidissement très simple permet une circulation d'eau : il est constitué par des canaux 4a, 4b (figures 1 et 2) ménagés dans le coeur des noyaux la, lb respectivement. On n'a pas illustré l'alimentation et l'évacuation de l'eau de refroidissement vers et à partir de ces canaux 4a, 4b. Référence étant maintenant faite aux figures 4 et 5, on va expliquer l'élaboration d'un ruban ou lame liquide mince à partir du jet 3 de section circulaire, produit par une buse (non représentée) à trou de coulée circulaire, au moyen de l'inducteur 5 illustré sur les figures 1 à 3 et qui vient d'être décrit, lorsque celui-ci se trouve dans la position illustrée sur les figures 4 et 5 par rapport au jet 3 et que les bobines 2a et 2b de cet inducteur sont alimentées en courant alternatif de fréquence et d'intensité suffisantes (comme expliqué cidessus) et que ces bobines et les noyaux la, lb sont convenablement refroidis par circulation d'eau. Lorsque le jet 3 de métal liquide pénètre entre les deux bobines 2a, 2b, il est soumis a eux forces : d'une part l'accélération de la pesanteur, de direction axiale suivant ï, qui tend à accroître la vitesse du jet liquide, et d'autre part une accélsration horizontale, dans la direction XX, engendrée par les forces tlectromagné- tiques. Ainsi, même si une particule liquide du jet 3 subit l'effet du champ magnétique dès son entre entre les bobines 2a, 2b, elle transporte cet effet, si bien que l'étirement en ruban ou lame n'est pas instantané, mais progressif. Cette transition progressive du jet 3 de la section droite initiale circulaire à la section droite aplatie en ruban ou lame 6 est très propice a une bonne stabilité du ruban ou lame formé : une telle transition douce est propre au formage électromagnétique et n'existe pas avec les buses de coulée classiques à fente linéaire étroite, qui provoquent une transition brutale, génératrice d'instabilités. Dans le cadre de l'invention, la largeur maximale du ruban ou lame n'est, en définitive, pas atteinte å l'entrée de l'inducteur, mais dans une section plus en aval, d'autant plus basse que l'intensité du champ magnétique est plus réduite ou que la vitesse d'écoulement du métal liquide est plus élevée; ceci est caractéristique du procédé selon l'invention. I1 est intéressant de remarquer que la largeur d du ruban ou lame 6 peut être supérieure à la distance D séparant les deux bobines 2a, 2b et atteindre son maximum en aval de la sortie de l'inducteur 5. L'ensemble de l'écoulement de métal liquide formé en aval de l'inducteur 5 se présente sous la farine de fuseaux successifs 6, 7, 8 : le premier (6) est orienté dans la direction XX du champ magnétique appliqué, le second (7), situé hors de la zone d'action du champ magnétique, est orienté dans la direction perpendiculaire ZZ, le troisième (8) est orienté de façon identique au premier (6) et ainsi de suite alternativement. Cette alternance est due à l'action de la tension superficielle. Pour une fréquence et une intensité données du champ magnétique, l'épaisseur e du ruban ou lame, à son maximum de largeur d, est fixez; la longueur L des fuseaux dépend, quant à elle, de la vitesse du métal liquide et de l'effet de convection qui en résulte. Grâce à l'effet stabilisant du champ magnétique, trois fuseaux stables peuvent être aisément obtenus. Cependant lorsque le rapport entre la largeur d du ruban ou lame et son épaisseur e devient très élevé, un seul fuseau peut être obtenu avant la division du ruban ou lame liquide. Grâce à la vitesse d'entraînement du métal liquide, il est possible d'obtenir un ruban ou lame mince dont la largeur est supérieure à la distance D séparant les deux bobines 2a, 2b, la largeur maximale d du ruban ou lame étant atteinte, après la sortie de l'inducteur 5. Cette possibilité est intéressante puisqu'elle permet de juxtaposer deux ou plusieurs dispositifs de formage selon l'invention de façon que les rubans ou lames formés soient alignés les uns aux autres et bout-à-bout pour venir en contact deux à deux. Grâce à la tension superficielle du métal liquide, une coalescence de deux rubans ou lames voisins se produit alors, uniformisant l'épaisseur et donnant un ruban ou lame de largeur double, triple, etc.La juxtaposition des rubans ou lames peut être multipliée pour aboutir à la formation d'une bande continue ou d'une tôle, liquide, de grande largeur, susceptible, grâce à sa faible épaisseur, de subir une ultratrempe conduisant à son amorphisation, de la même manière qu'un ruban ou lame liquide unitaire. Lorsque le ruban ou lame 6 est formé, sa section droite admet pour frontière une ligne composée de deux demi-cercles et de deux parties rectilignes parallèles aux lignes de champ magnétique. Ainsi les domaines d'action de la tension superficielle T et du champ magnétique d'induction B sont pratiquement séparas : la tension su perficielle agit là o3 le rayon de courbure est faible; par contre le champ magnétique agit seul le long des parties rectilignes.La surpression, par rapport à la pres sion atmosphérIque, à l'intérieur du ruban ou lame, exprimée, d'une part, à la traversée d'un -demi-cercle et, d'autre part, à la traversée d'une partie rectiligne, conduit à l'égalité Ainsi pour une lame de mercure de 1 mm d'épaisseur la valeur efficace du champ magnétique à produire est de 470 Gauss. On va maintenant se référer aux figures 6 et 7 pour montrer comment, à partir du ruban ou lame liquide mince 6, on peut obtenir un ruban ou tôle solide, amorphe. On réalise llultratrempe du premier ruban ou lame obtenu 6, par des organes de refroidissement rapide, par exemple au moyen d'un cylindre 9 tournant en rotation dans le sens de la flèche F, autour d'un axe 10. La lame liquide mince 6 frappe la surface supérieure du cylindre 9 et elle suit la surface de droite de ce cylindre, du fait de sa rotation dans le sens de la flèche F, avant de quitter cette surface pour former un ruban solide mince en 6a. Le cylindre 9 est avantageusement refroidi. On voit donc que, conformément à l'invention, on met en oeuvre pour élaborer un ruban ou lame, liquide, mince, non pas une fente allongée étroite, dont les inconvénients sont connus, mais un champ magnétique à haute fréquence et d'intensité suffisante. Ce champ magnétique permet d'aplatir un jet, notamment un jet de section circulaire, pour lui donner la forme d'un ruban ou lame mince, liquide, de faible épaisseur. Ensuite, si désiré, on peut refroidir brusquement ce ruban ou lame liquide pour le transformer en un ruban ou tôle solide, généralement de structure amorphe. 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 embras- se, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élaboration d'un ruban ou lame métal lique liquide mince, à partir d'un jet métallique li auide se déplaçant sensiblement en direction verticale, caractérisé en ce qu'on crée, dans une zone du jet, un champ magnétique alternatif de fréquence et d'intensité suffisantes pour aplatir le jet et lui donner la forme d'un ruban ou lame liquide d'épaisseur désirée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence du champ magnétique est supe- rieure à 4 2 ar p a a en appelant a l'épaisseur désirée pour le ruban ou lame, p la perméabilité magnétique du métal liquide et a sa conductivité électrique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'en outre on refroidit brusquement le ruban ou lame liquide ainsi formé afin de réaliser l'ultratrempe de celui-ci. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte, en aval de la sortie inférieure d'une buse créant un jet métallique liquide se déplaçant sensiblement en direction verticale, des moyens aptes à créer un champ magnétique alternatif de fréquence et d'intensité suffisantes pour aplatir le jet et lui donner la forme d'un ruban liquide d'épaisseur désirée. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens pour créer un champ magnétique alternatif sont constitués par une paire de bobines portées par au moins un noyau de ferrite entourant une zone du jet. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite paire de bobines comporte un axe commun disposé perpendiculairement à l'axe du jet métallique liquide. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendica t ions 4 a 6, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, en aval des moyens aptes à créer le champ magnétique, des moyens de refroidissement pour refroidir brusquement le ruban ou lame liquide ainsi formé afin de réaliser l'ultratrempe de celui-ci. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de refroidissement sont constitues par au moins un cylindre tournant autour d'un axe horizontal, disposé en aval des moyens aptes à créer le champ magnétique au niveau où le ruban ou lame métallique liquide d'épaisseur désirée a été formé, pour que ledit ruban ou lame vienne en contact avec la surface supérieure dudit cylindre. 9. Ensemble de plusieurs dispositifs suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6, disposés côte à côte pour réaliser un ruban ou lame liquide de grande largeur à partir de l'ensemble des rubans ou lames liquides formés par lesdits dispositifs.