Brevet FR2528739A1 — publié le 19831223

-t PROCEDE ET INSTALLATION DE BRASSAGE ELECTROMAGNETIQUE DE BRAMES METALLIQUES, NOTAMMENT D'ACIER, COULEES EN CONTINU La présente invention concerne le brassage électromagnétique des brames métalliques, notamment d'acier, coulées en continu Elle se rap- porte plus précisément aux opérations de brassage électromagnétique du mé- tal en fusion dans la zone du refroidissement secondaire d'une machine de coulée continue de brames. Les opérations de brassage électromagnétique, dont il est question ici, consistent, comme il est connu, à soumettre le produit coulé à un ou plusieurs champs magnétiques mobiles, glissant dans une direction détermi- née, et dont l'action sur le métal liquide se manifeste alors par un entraînement de ce dernier identique, en sens et direction, au déplacement du champ magnétique. Dans le cas de produits de section allongée, telle que'les brames, coulés en continu, il est connu d'entraîner le métal liquide de la façon indiquée ci-dessus dans un mouvement de translation horizontale, parallèle aux grandes faces du produit. Le champ magnétique mobile est généralement créé par un inducteur statique polyphasé disposé de préférence au voisinage immédiat du produit coulé et pouvant présenter différentes conceptions: par exemple un induc- teur monobloc, similaire à un stator de moteur linéaire à induction, placé soit derrière les rouleaux de maintien et de guidage de la brame en cours de coulée, soit en substitution d'un ou plusieurs de ces rouleaux (brevet français N O 2 068 308, brevet allemand nu 2 401 145), soit encore dans des espaces rendus disponibles entre deux rouleaux consécutifs (brevet fran- çais N O 2 187 468) Il a été également proposé un inducteur de structure cylindrique introduit à l'intérieur même d'un ou plusieurs rouleaux, rendus tubulaires à cette fin (brevet anglais N O 1 405 312). L'intérêt du brassage contrôlé du métal liquide en cours de coulée, intérêt que l'on connaît maintenant de longue date, réside dans l'amélio- ration systématique de la qualité interne du produit brassé par rapport au produit non brassé Cette qualité améliorée, qui se caractérise en parti- culier par une réduction de la porosité centrale, ainsi que par une dimi- nution sensible des macro-ségrégations axiales, résulte de l'influence favorable du brassage sur la structure de solification Cette dernière en effet reflète, dans le cas de produits brassés, une interruption précoce de la croissance cristalline périphérique de type "basaltique" (croissance 39 dendritique) au profit de la formation et du développement d'une zone cen- trale à structure de solidification non-orientée, dite de type "équiaxe", corrélativement plus étendue. Cependant, bien que la relation de cause à effet entre une large zone équiaxe et une faible ségrégation axiale soit désormais indiscutable, les nombreuses observations métallographiques effectuées par les inven- teurs montrent que la ségrégation axiale peut quand même demeurer relati- vement importante malgré une zone équiaxe bien développée. La question qui se pose alors, et à laquelle la présente invention a pour but de répondre, consiste à savoir s'il existe un type de brassage optimal permettant d'obtenir à coup sûr, conjointement avec une zone équi- axe centrale très large, un niveau de macro-ségrégation axiale le plus faible possible, et en tout cas sensiblement plus réduit que celui obtenu par la technique habituelle de brassage électromagnétique. Un autre but est de parvenir au résultat précité avec un minimum d'inducteurs de brassage. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de brassage électromagnétique des brames métalliques, notamment d'acier, cou- lées en continu, selon lequel, dans la partie du puits liquide située en aval de la lingotière dans le sens d'extraction de la brame, on soumet cette dernière à au moins un champ magnétique mobile, glissant selon la largeur de la brame et créant un mouvement d'entraînement du métal liquide, procédé caractérisé en ce qu'on fait agir une pluralité de champs magnétiques glissant de façon à brasser le métal liquide sur la portion de la hauteur métallurgique comprise entre 3 et 4 mètres environ sous la surface libre du métal en lingotière et 3 mètres environ du fond du puits de solidification, en ce que lesdits champs magnétiques sont produits par des inducteurs électromagnétiques qui sont décalés entre-eux le long de la hauteur métallurgique d'une distance de séparation de 1 à 2 mètres environ et en ce que le champ magnétique créé par un inducteur quelconque glisse dans un sens opposé de celui des champs magnétiques créés par les inducteurs décalés les plus proches voisins de part et d'autre. On rappelle que le puits de solidification, dont la profondeur dé- termine la "hauteur métallurgique", se définit comme la distance comprise entre le niveau de la surface libre du métal en lingotière et le niveau en aval de celle-ci dans le sens d'extraction du produit, o toute la section du produit coulé est solidifiée (fermeture du puits de solidification). Conformément à une mise en oeuvre particulière, utilisant un minimum d'inducteurs électromagnétiques, on dispose ces derniers selon une 39 configuration en quinconce de part et d'autre des deux grandes faces de la brame. Conformément à une variante préférée, on place l'inducteur électro- magnétique le plus proche de la lingotière sur l'extrados de la brame c'est-à-dire eh regard de la grande face placée à l'opposé du centre de courbure de la machine de coulée continue. Comme on l'aura sans doute déjà compris, l'invention consiste, dans ses traits fondamentaux, à répartir l'énergie électromagnétique de bras- sage transmise au métal coulé sur la majeure partie de la hauteur métallurgique de manière à créer des mouvements de convection qui s'établissent dans la quasi-intégralité du puits de solidification. Ceci étant, il n'est pas nécessaire de brasser sur toute la hauteur du puits liquide pour les raisons suivantes: d'une part, il est inutile de faire agir le champ magnétique au voisinage de l'extrémité de fermeture du puits de solidification, car en cet endroit le métal est déjà suffisamment pris en masse pour que l'on ne puisse y créer des mouvements de convection et ceci même avec des puissan- ces électromagnétiques très importantes. d'un autre côté, il n'est pas souhaitable de brasser trop haut sur la hauteur métallurgique, c'est-à-dire au voisinage immédiat de la lingotière, car le jet d'alimentation du métal liquide en lingotière crée naturellement des mouvements de convection favorables qui s'étendent dans le puits liquide jusqu'à une distance égale à 2 ou 3 fois environ la hau- teur de la lingotière et qu'il n'est pas opportun de perturber. Dans ces conditions, on comprend que la portion de la hauteur métallurgique devant être soumise à un brassage électromagnétique confor- mément à l'invention, se situe entre une limite supérieure, à environ 3 à 4 mètres sous la surface libre du métal en lingotière, et une limite infé- rieure que l'on peut situer environ à 2 ou 3 mètres du point de fermeture du puits de solidification. Pour déterminer maintenant la localisation des inducteurs assurant un tel brassage, il faut tenir compte, en outre, du fait que l'action directe d'entra Inement du champ magnétique à un niveau quelconque de la hauteur métallurgique induit des mouvements de recirculation du métal liquide (entraînement indirect) assurant le bouclage des lignes de cou- rant, et qui s'épanouissent de part et d'autre de la zone d'entraînement direct jusqu'à une distance d'environ 2 à 3 mètres de cette dernière. Compte tenu de ces précisions, on localise l'action du champ magnétique le plus voisin de la lingotière à environ 5 à 7 mètres sous la 39 surface libre du métal liquide, et on localise l'action du dernier champ magnétique au voisinage du fond du puits de solidification, à une distance d'environ 4 à 5 mètres au-dessus dudit fond. Bien entendu, la distance moyenne séparant une zone d'entraînement direct d'une zone de recirculation dépend au premier chef de la force électromagnétique à laquelle est soumise le métal liquide, c'est-à-dire essentiellement de l'intensité du champ magnétique agissant sur le métal, puisque la vitesse de glissement du champ (i e fréquence du courant élec- trique dans l'inducteur) est nécessairement faible, autour de 1 à 5 Hz environ, pour limiter l'affaiblissement du champ entre la surface active de l'inducteur et le métal liquide. On peut dire toutefois que, compte-tenu de la technologie dont on dispose actuellement, les inducteurs électromagnétiques compatibles avec une installation de coulée continue de brames dans des conditions d'exploitation normale permettent de délivrer des champs magnétiques suf- fisamment puissants pour que l'écart entre la zone d'entralnement direct du métal liquide et la zone de recirculation se situe autour de 2 mètres environ, voire au delà. Il peut être utile de préciser que l'on parvient aisément à détec- ter les niveaux sur la hauteur métallurgique o se situent les zones de recirculation Celles-ci apparaissent en effet à l'observation métallogra- phique, sur coupe en section droite de la barre solidifiée, sous forme de couronnes plus claires que le reste de la matrice métallique (appelée éga- lement zones de ségrégation négative ou "zone blanche"), et dont la clarté est sensiblement plus estompée que celle des couronnes de ségrégation négative principale, qui se forment, elles, au niveau de l'entraînement direct du champ magnétique glissant La profondeur à laquelle sont loca- lisées ces différentes zones de ségrégation négative dans le produit par rapport à sa surface dépend des conditions locales d'exploitation de la machine de coulée et notamment de la surchauffe initiale du métal alimen- tant la lingotière, de la vitesse d'extraction de la brame et de la vitesse de solidification du produit c'est-à-dire du réglage du système de refroidissement La connaissance de ces différents paramètres permet donc de relier facilement la profondeur de localisation des zones de ségréga- tion négative aux niveaux sur la hauteur métallurgique o interviennent les mouvements de circulation directs et de recirculation du métal liquide sous l'action des champs magnétiques. Il doit être souligné que ces mêmes paramètres permettent d'appro- cher assez finement, dans chaque cas, les niveaux limites supérieur et in- 39 férieur définissant la portion de la hauteur métallurgique soumise au brassage conformément à l'invention A titre indicatif, on pourra noter qu'en ce qui concerne par exemple la vitesse d'extraction des brames, celle-ci peut aller d'environ 0,7 mètre/minute à plus de 3 mètres/minute, c'est-à-dire varier dans une rapport de 1 à 5 entre des installations différentes, ou coulant des nuances d'acier différentes. On va maintenant décrire, à titre illustratif, une configuration caractéristique du procédé selon l'invention utilisant un nombre minimum d'inducteurs de brassage et adaptée à la coulée continue de brames à faible vitesse d'extraction ( 0,7 mètre/minute) et dont le puits liquide présente une hauteur métallurgique réduite à environ 12 mètres. La description de cet exemple sera faite en référence aux planches de figures annexées sur lesquelles: la figure 1 montre une brame coulée en continu selon une vue en coupe longitudinale médiane parallèle aux grandes faces de la brame, la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1 mais se- lon une coupe parallèle aux petites faces latérales de la brame, la figure 3 est une empreinte Baumann de la partie centrale d'une section droite de la brame solidifiée. On a schématisé sur les figures 1 et 2, une lingotière 1, une bu- sette 2 alimentant la lingotière en métal liquide, la brame 3 en cours de coulée et présentant une couche extérieure solidifiée 4 et un coeur à l'état liquide 5 La ligne tracée en 6 définit la fermeture du puits de solidification par jonction des fronts de solidification croissants sur les grandes faces du produit La hauteur métallurgique "H", c'est-à-dire la distance séparant la surface du métal liquide 7 en lingotière de la fermeture 6 du puits de solidification, peut être lue directement en mètres sur la figure 1 grâce aux repères placés sur la petite face de gauche de la brame Sur les figures, les régions d'action directe des champs magnétiques glissants ont été représentées par les deux zones ha- churées 9 et 10 Ces zones, comme on l'a déjà dit, définissent les régions d'entraînement direct du métal liquide dont les lignes de courant ont été représentées par les boucles 13 en traits épais sur la figure 1 Les sens de glissement des champs magnétiques agissant selon la largeur de la brame sont indiqués par des flèches sur la gauche des zones d'entraînement direct 9 et 10 de la figure 1 et par les symboles conventionnels sur la fig 2. La mise en oeuvre de l'invention ne pose aucun problème particu- lier et on pourra avantageusement utiliser, ainsi que le montre très sché- 39 matiquement la figure 2, des inducteurs électromagnétiques à champ glissant de structure cylindrique, placés à l'intérieur des rouleaux de soutien et de guidage de la brame coulée rendus tubulaires à cette fin. L'ensemble ainsi constitué par le rouleau et l'inducteur interne est un ensemble fonctionnel, livré prêt à l'emploi, et habituellement désigné dans le domaine technique considéré par l'expression "rouleau-brasseur". Ces rouleaux-brasseurs, ne faisant pas partie de l'objet propre de l'invention, ne seront pas ici décrits en détail Si on le souhaite, on pourra trouver une description détaillée de leur conception et de leur technologie en se reportant à la demande de brevet anglais N O 1 405 312-IRSID. Pour ne pas surcharger inutilement les figures, ces rouleaux- brasseurs n'ont pas été représentés sur la figure 1 Sur la figure 2, seul les rouleaux brasseurs 11, 11 ' et 12, 12 ' ont été illustrés à l'exclusion de tous les autres rouleaux ordinaires qui jalonnent normalement en rangs serrés les grandes faces de la brame. La configuration minimale représentative de la répartition de l'ac- tion du champ magnétique sur la hauteur métallurgique, conformément à l'invention, se caractérise ici, comme on le voit, par la mise en place d'une première paire de rouleaux-brasseurs 11, 11 ' sur l'extrados de la brame, en aval de la lingotière, à une distance moyenne de 6 mètres de la surface libre 7 du métal coulé, et une seconde paire de rouleaux 12, 12 ' décalée vers le bas par rapport à la paire 11, 11 ' d'une distance moyenne de 1,50 mètre Par ailleurs, le sens de glissement du champ magnétique créé par la paire 11, 11 ' est à l'opposé de celui créé par la paire 12, 12 '. Dans ces conditions, le brassage électromagnétique provoqué par les champs glissants agissant sur les deux niveaux 9 et 10 décalés en hauteur crée au sein du métal liquide un mouvement de convection forcée sous forme de triple " O " ou, si l'on préfère, "d'ailes de papillon", qui se développe sur la majeure portion de la hauteur métallurgique, c'est-à- dire sur la portion comprise entre le niveau limite supérieur à la cote 3, 5 mètres environ et le niveau limite inférieur voisin de la cote 10 mètres Plus précisément ce mouvement en "ailes de papillon" comprend, comme on le voit, un corps central 13 à circulation relativement intense car elle est générée par l'effet conjugué des deux zones d'entraînement direct 9 et 10 et, de part et d'autre de ce corps central 13, des régions de recircula- tion 14, 15, qui s'épanouissent respectivement vers le haut et vers le bas jusqu'aux niveaux, sur la hauteur métallurgique, de 3,5 mètres et 10 39 mètres environ. Les analyses métallographiques effectuées montrent que les brames coulées et brassées en continu de la manière qui vient d'être décrite, présentent une très large zone de solidification équiaxe qui s'initie déjà à une profondeur de peau correspondant au niveau, sur la hauteur métallur- gique, de 3,5 mètres environ Par ailleurs, ces analyses montrent également que le coeur des brames est pratiquement exempt de phénomènes de macrobégrégation Ces résultats peuvent être vus directement sur la figure 3 o l'on a représenté en 16 l'axe de la brame, (lequel se confond d'ailleurs avec l'axe de coulée) et o l'on a désigné en 17 la large zone de solidification équiaxe bordée de part et d'autre par une frange 18 de solidification basaltique orientée, assez difficilement discernable sur cette reproduction d'un tirage photographique On voit cependant clairement sur cette dernière, au sein de la phase équiaxe 17 les deux cernes clairs concentriques 19 et 20 à distance rapprochée l'un de l'autre et caractérisant les zones de ségrégation négative formées par l'action de brassage dans les régions d'entralnement direct 9 et 10 On distingue également, autour et à distance de ces cernes, une autre couronne ( 21) de ségrégation négative, de contraste beaucoup plus atténué, et traduisant à cet endroit la présence de la région de recirculation supérieure référen- cée 14 sur la figure 1 Il est à noter que la couronne de ségrégation négative correspondant à la région de recirculation basse 15 n'est pas observable sur la coupe métallographique, car on se situe à ce niveau dans une région o la proportion de solide dans le liquide est très importante et forme donc un squelette rigide et o, par conséquent, le balayage du front de solidification par les mouvements de convection forcée du métal liquide, responsable de la formation de zone de ségrégation négative, n'opère plus à cet égard de façon significative. Il va de soi que l'invention ne s'aurait se limiter à l'exemple décrit et s'étend à de nombreuses variantes et équivalents dans la mesure o sont respecté les caractéristiques énoncées dans les revendications jointes. Il en est ainsi notamment du nombre de champs magnétiques glis- sants, c'est-à-dire du nombre de zones d'entraînement direct qui s'étagent sur la hauteur métallurgique, à condition toutefois que le sens de glisse- ment des champs s'inverse entre deux zones d'entraînement directs consécu- tives. De même la disposition en quinconce des inducteurs de brassage dé- finissant les zones d'entralnement direct se justifie dans le cas o le 39 nombre d'inducteurs disponibles est limité Si non, il est tout à fait possible de coupler les inducteurs les uns en regard des autres au niveau des zones d'entraînement direct, l'important dans ce cas étant bien entendu que les champs magnétiques créés par les inducteurs appariés au niveau d'une zone d'entraînement direct déterminée glissent dans le même sens. De même, le fait que les zones d'entraînement direct 9 et 10 sont créées chacunes par un jumellage de deux inducteurs électromagnétiques 11, 11 ' et 12, 12 ', ne saurait en aucun cas constituer une limite de la pré- sente invention Ces dispositions ne s'expliquent en effet que par la volonté de travailler au cours des essais avec des puissances électro- magnétiques de l'ordre de 250 KVA pour chaque zone d'entraînement direct, alors que la puissance nominale des inducteurs disponibles s'élevait à 125 KVA. Dans ces conditions, on considéra, pour l'intelligence de l'inven- tion, que les unités inductrices jumelées sur une même face de la brame telles que 11, 11 ' au 12, 12 ' et/ou appariées au même niveau sur les deux faces opposées, constituent un seul et même inducteur, car elles sont destinées à produire une seule et même zone d'entraînement direct du métal liquide En particulier le sens de glissement du champ magnétique est uniforme pour ces unités inductrices. REVENDICATIONS 1 a) Procédé de brassage électromagnétique de brames métalliques, notamment d'acier, coulées en continu, selon lequel, dans la partie du puits de solidification située en aval de la lingotière dans le sens d'extraction de la brame, ou soumet cette dernière à au moins un champ magnétique mobile, glissant selon la largeur de la brame et créant un mouvement d'entraînement du métal liquide, procédé caractérisé en ce qu'on fait agir une pluralité de champs magnétiques glissants de façon à brasser le métal liquide sur la portion de la hauteur métallurgique (H) comprise entre 3 à 4 m environ sous la surface libre ( 7) du métal en lingotière et 2 à 3 m environ du fond ( 6) du puits de solidification; en ce que lesdits champs sont produits par des inducteurs électromagnétiques ( 11), ( 12), que l'on dispose de façon étagée sur la hauteur métallurgique en les espaçant l'un de l'autre d'une distance de 1 à 2 m environ, et en ce que l'on règle les inducteurs de façon que le champ magnétique créé par un inducteur quelconque glisse dans un sens opposé de celui des champs magnétiques créés par les inducteurs décalés les plus proches voisins de part et d'autre. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que on lo- calise l'action de l'inducteur le plus voisin de la lingotière à environ 5 à 7 m sous la surface libre ( 7) du métal liquide, et en ce que on localise l'action de l'inducteur le plus voisin du fond ( 6) du puits de solidifica- tion à environ 4 à 6 m dudit fond. ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on dispose les inducteurs étagés sur la hauteur métallurgique selon une con- figuration en quinconce de part et d'autre des deux grandes faces de la brame. 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on dispose l'inducteur le plus proche de la lingotière sur l'extrados de la brame. 5 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise, de façon connue pour le brassage du métal liquide, des inducteurs électromagnétiques polyphasés de forme cylindrique placé longitudinalement à l'intérieur des rouleaux de soutien 34 et de guidage de la brame, rendus tubulaires à cette fin.