Brevet FR2530511A1 — publié le 19840127

_,_ PROCEDE DE COULEE DE METAUX DANS LEQUEL ON FAIT AGIR DES CHAMPS MAGNETIQUES. La présente invention concerne un procédé de coulée de métaux dans- lequel on fait agir des champs magnétiques en vue d'améliorer la struc- ture et l'état de surface des produits obtenus. Il est connu de couler des métaux tels que l'acier, l'aluminium et ses alliages, sous forme de billettes, de plaques ou de lingots, soit par moulage, soit par coulée continue verticale. Dans le premier cas, on remplit le moule d'une quantité connue de mé- tal liquide et assure la solidification à l'intérieur du moule par échange thermique avec la paroi de ce dernier. Dans le deuxième cas, on veyrse le métal en fusion dans un moule ayant généralement un axe de symétrie vertical, ouvert à ses deux extrémités et dont les parois latérales sont refroidies par un fluide Au contact du moule, le métal se solidifie pour former une croûte qui s'épaissit graduellement à mesure que le lingot progresse à travers le moule de sorte qu'à l'extrémité inférieure du moule son épaisseur est suffisan- te pour retenir la partie centrale encore liquide Après avoir quitté le moule, la paroi du lingot est refroidie directement par une projec- tion d'eau et on obtient ainsi assez rapidement une solidification cou- piète de la masse métallique. Dans les deux procédés, le lingot obtenu est très hétérogène car il présente à la fois une zone corticale qui s'est formée par solidifica- tion rapide au contact du moule, et une zone centrale résultant d'un refroidissement plus lent par échange avec la paroi du moule ou avec l'eau au travers de la zone corticale Ces zones ayant cristallisé à des vitesses différentes, n'ont pas du tout la même structure ni la meme composition De plus, la peau du lingot qui s'est formée au con- tact du moule est généralement irrégulière Aussi, est on obligé le plus souvent de soumettre ces lingots à des opérations supplémentaires de scalpage ou d'écrontage pour éliminer les zones perturbées et évi- ter ainsi l'apparition de défauts nui en résulteraient au cours des stades de transformation ultérieurs du lingot. 2531 ffl 1 -2- C'est pourquoi l'homme de l'art, dans le but notamment d'améliorer la qualité des produits fabriqués par coulée, a cherché des solutions pour résoudre ces problèmes d'hétérogénéité de surface et de structure Il s'est tourné le plus souvent vers l'utilisation de champs magnétiques destinés à agiter la partie liquide du lingot en cours de formation, et, plus particulièrement, vers des champs tournants. C'est ainsi que, dans le brevet US 2 963 758, on revendique un procédé pour diminuer le développement de grains basaltiques; et qui consiste à soumettre le métal en fusion à un champ magnétique dans la direction du gradient thermique de refroidissement du lingot et à déplacer ledit champ en continu dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction dudit gradient L'obtention de ce champ nécessite la mise en place d'un stator à six p 8 les, relié à une source de courant électrique multiphase D'o une installation assez compliquée et dont l'efficacité se limite à la taille des grains. Dans le brevet US 3 153 820, l'invention concerne un appareil pour amé- liorer la structure et l'homogénéité physique et chimique du métal cou- lé en contrôlant le phénomène de solidification Cet appareil comprend, en combinaison, une pluralité d'agitateurs externes fonctionnant de fa- çon indépendante, parmi lesquels on trouve des électroaimants et des transducteurs électromécaniques de vibration disposés à l'extérieur de la masse de métal, régulièrement espacés et placés près de la zone de refroidissement du métal, lesdits agitateurs produisant une pluralité de champs de forcesd'agitation concentrés à l'intérieur du métal. Un tel appareil incluant plusieurs types d'appareils d'une conception assez complexe, bien qu'il réduise les phénomènes de ségrégation à l'in- térieur du métal, ne résoud pas les problèmes d'état de surface. C'est pourquoi, la demanderesse, soucieuse d'améliorer la technique de coulée en vue d'obtenir à la fois des structures plus homogènes, et des états de surface s'accommodant directement aux opérations ultérieures de transformation dimensionnelle sans passer par une phase d'écroûtage, a cherché et mis au point un procédé mettant en oeuvre un matériel sim- ple mais utilisé dans des conditions telles que l'efficacité en est exacerbée. 25305 11 -3- Le procédé selon l'invention, consiste à appliquer simultanément un champ magnétique stationnaire et un champ magnétique variable coliné- aires à proximité du métal en cours de solidification afin de créer dans ce métal des vibrations radiales. Le champ magnétique uniforme est créé par au moins une bobine alimentée en courant continu Cette bobine est constituée par un fil électrique enroulé sur un cadre dont la section par un plan horizontal a un con- tour semblable à celui de la section-:supérieure du moule et elle est placée au-dessus du moule. Sous l'action du courant continu, cette bobine crée un champ uniforme de direction générale parallèle à l'axe de symétrie du moule, c'est-à- dire sensiblement verticale et orientée indifféremment vers le bas ou vers le haut Les lignes de ce champ peuvent être modifiées en incor- porant à l'intérieur de la bobine un noyau de fer qui épouse son con- tour tout en laissant en sqn centre un espace suffisant pour l'alimen- tation en métal liquide du moule. Le champ magnétique variables est créé par un inducteur annulaire de géométrie voisine, mais alimenté en courant périodique de fréquence N. Cet inducteur est placé au-dessus du moule, soit au-dessus de la bobine alimentée en courant continu, soit entre cette dernière et le moule. Il peut encore être mis au niveau du moule Dans ce dernier cas, lors- qu'il y a deux bobines alimentées en courant continu, il est situé en- tre elles Sous l'action du courant périodique, l'inducteur crée un champ variable colinéaire avec le champ stationnaire qui produit dans le métal un courant induit Le vecteur densité est situé dans un plan généralement horizontal et dirigé perpendiculairement à une droite de ce plan passant par l'axe du moule L'ensemble de ces vecteurs forme donc des cercles concentriques. L'action combinée de ces champs colinéaires génère dans le métal des vibrations qui ont une origine double D'une part, le champ stationnai- re et le courant induit développent une force perpendiculaire au plan constitué par le vecteur densité de courant et le vecteur direction du champ stationnaire Cette force est donc contenue dans un plan horizon- tal et dirigée vers l'axe du moule Cette force a une intensité qui varie périodiquement avec la mgme fréquence N que le champ variable et provoque donc des vibrations dans le métal. D'autre part, en raison de l'interaction du champ variable et du -4courant induit tous deux de fréquence N, se développe une autre force radiale, elle aussi variable, mais dont la fréquence est 2 N. Ainsi, le métal est soumis à ces deux forces radiales de fréquence N et 2 N d'o résulte une mise en vibrations généralisée de la masse de métal liquide. Par suite dé certains défauts de géométrie du système, on peut avoir des effets de "bord" plus ou moins importants, d'o résultent des vi- brations verticales, mais ces dernières-ont relativement peu d'impor- tance par rapport aux vibrations radiales. Le courant périodique qui alimente l'inducteur à champ variable peut avoir une forme purement sinusoïdale, mais tout autre forme convient également à la réalisation de l'invention. Quant à la fréquence, elle peut couvrir toute une gamme de valeurs al- lant de 5 à 100 000 hertz Toutefois, il y a lieu de faire une distinc- tion entre les fréquences dites basses situées entre t 5 et 100 Hertz et les fréquences supérieures, dites moyennes; Dans le premier cas, l'effet dit de "peau" du champ variable est ré- duit, c'est-à-dire que le courant induit exerce son action sur une épaisseur de métal telle qu'il y a interaction suffisante de ce courant avec le champ stationnaire pour développer des vibrations dans toute la 2-5 masse de métal On dit alors qu'on travaille en vibrations forcées. Par contre, à mesure que la fréquence du champ variable augmente, l'ef- fet de peau devient important et l'interaction du courant induit avec le champ stationnaire devient de plus en plus faible -I faut alors que les vibrations émisespour avoir une efficacité convenable, puissent entrer en résonance avec les vibrations propres du métal liquide, des dendrites en cours de formation ou de la masse solide Or, ces vibra- tions propres dépendent du format du produit coulé, de la vitesse de coulée, de la nature du métal, et des conditions de refroidissement. Il faudra donc choisir la fréquence du courant en fonction des condi- tions opératoires, ce qui peut etre déduit du calcul ou de mesures fai- tes à l'aide de capteurs adéquats. Il est certain que, dans le cas des basses fréquences, la technologie et le mode opératoire sont plus simples et que les nuisances résultant 253051 l du bruit dû aux vibrations sont relativement faibles. Dans une variante du procédé appliqué notamment à la coulée continue d'acier, il est intéressant de créer des champs magnétiques stationnai- re et variable au moyen d'une série de bobines et d'inducteurs qui se succèdent alternativement tout au long de la partie du métal en cours de solidification En effet, dans ce cas, cette partie du lingot peut être relativement longue et l'efficacité des champs est alors obtenue en multipliant le nombre de bobines et d'inducteurs. Pour accroître encore cette efficacité, il est préférable, lorsque le champ variable a une fréquence inférieure à 100 hertz d'alimenter les inducteurs sous une fréquence décroissante à mesure que la solidifica- tion progresse l On atténue ainsi d'autant l'effet de peau et permet de développer les vibrations au coeur du lingot On peut avoir par exemple au niveau du moule un inducteur alimenté en 50 hertz puis en- dessous, et séparés chaque fois par une bobine à courant continu, une série d'inducteurs alimentés successivement en 20, 10, et 5 hertz par exemple. La présente invention sera mieux comprise en se référant au dessin an- nexé sur lequel la figure l représente une coupe verticale passant par l'axe d'un moule de coulée continue auquel on applique un champ varia ble et un champ uniforme suivant l'invention. La figure 2 est une vue de dessus du métal dans le moule. Sur la figure 1, on distingue un moule ( 1) refroidi par une circula- tion d'eau ( 2) au moyen duquel on forme, à partir d'un métal liquide ( 3) , un lingot ( 4) Suivant l'invention, le moule a êté équipé sur le dessus d'une bobine ( 5) qui crée un champ stationnaire dont les lignes de force peuvent être modifiées par le noyau ( 6) Au niveau du moule est placé un inducteur ( 7) qui crée un champ variable Sous'l'action combinée des champs, se développe dans le liquide des vibrations dont le sens de propagation est représenté par les flèches ( 8). Sur la figure 2, on voit le dessin du métal liquide vibrant suivant les directions ( 8). L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple non limitatif qui suit. Z 53051 1 -6- On a coulé en continu un alliage d'aluminium du type 2024 préalable- ment affiné par ajout de 0,1 % en poids d'AT 5 B sous forme d'une plaque de section 300 x 800 mm. La première partie a été réalisée dans une lingotière classique, puis on a continué la coulée dans les mêmes conditions de vitesse et de refroidissement, mais en appliquant à proximité de la surface libre du métal, d'une part, un champ magnétique stationnaire de 0,04 tesla, créé au moyen d'une bobine annulaire alimentée par un courant continu de 17 500 ampère-tours, sous une tension de 24 volts, d'autre part, un champ magnétique variable de fréquence 50 hertz, cree au moyen d'une bobine annulaire placée en-dessous de la précédente, et au ni- veau du moule et alimentée par un courant alternatif de 3800 ampère- tours sous une tension de 75 volts. A l'examen xcrographique de surfaces d'échantillons prélevés dans les deux parties de la plaque, on a constaté que le nombre de grains était huit fois plus grand quand on appliquait le procédé selon l'in- vention. De plus, les défauts de surface tels que arrachement, peau d'oxyde, qui apparaissent sur la première partie avaient pratiquement disparu sur la deuxième. L'invention trouve son application dans tous les cas o on cherche à améliorer la structure et l'état de surface des produits moulés ou coulés en continu, et notamment dans l'industrie de l'aluminium. -7- REVENDICATIONS 1 Procédé de coulée de métaux, caractérisé en ce que l'on applique simultanément au métal en cours de solidification un champ magnétique stationnaire et un champ magnétique variable colinéaires afin de créer dans ce métal des vibrations radiales. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le champ magnétique stationnaire a une valeur inférieure à 0,5 tesla. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le champ stationnaire est modifié par la présence d'un noyau en fer. 4 Procédé selon la revendication J, caractérisé en ce que le champ variable a une fréquence comprise entre 5 et 100 000 hertz. 5 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que lorsque la fréquence est supérieure à 100 hertz, on choisit des valeurs de fré- quence qui entrent en résonance avec les fréquences propres du métal liquide, des dendrites en cours de formation ou de la masse solide. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ stationnaire est créé par au moins une bobine annulaire. 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ variable est créé par au moins un inducteur annulaire. 8 Procédé selon lesrevendications 6 et 7, caractérisé en ce que les bobines et les inducteurs créant le champ stationnaire et le champ variable se succèdent alternativement le long du métal en cours de solidification. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lorsque les inducteurs créent un champ variable de fréquence inférieure à 100 hertz, ils sont alimentés sous une fréquence décroissante à mesure que la solidification progresse -