Brevet FR2545017A1 — publié le 19841102

La présente invention concerne la métallurgie, notamment le domaine de la coulée continue des métaux ferreux, des métaux non ferreux et de leurs alliages, avec mise en forme des lingots par un champ électro magnétique. Elle a notamment pour objet un procédé de coulée continue de métaux et un dispositif pour sa mise en oeuvre. L'invention -stapplique principalement à l'élabora- tion de lingots plats, ronds et creux à haute qualité de surface, ne requérant pas un usinage supplémentaire par enlèvement de matière. Quand le lingot est mis en forme par un champ électromagnétique, il apparaît inévitablement dans la phase liquide du lingot - dans le cratère - une circulation du métal fondu engendrée par des forces tourbillonnaires d'origine électromagnétique Il est connu que la circulation contribue à l'accroissement de la plasticité du lingot. D'autre part, il a été établi que, dans cer- tains cas, lorsque le lingot est mis en forme par un champ électromagnétique, il apparat dans le lingot une hétérogéneité de structure sous la forme de bandes alternées répétant la forme du cratère et ayant des grains de textures différentes. Il a été prouvé que l'apparition de la structure rubanée indésirable est directement liée au niveau de l'intensité de circulation du bain dans le cratère du lingot.Quand la vitesse de circulation du métal dans le cratère augmente, la probabilité de l'appa- rition de lthétérogénéité de structure s'accroit. C'est pourquoi, afin de supprimer les bandes de structure, la circulation du métal dans le cratère doit être limitée à un niveau minimal, dépendant des dimensions du lingot, de la composition de l'alliage et des prescriptions auxquelles doit satisfaire la structure du lingot. On connaît un procédé de coulée continue de métaux, consistant à admettre le métal en continu dans une lingotière, à faire agir sur le métal liquide un champ électromagnétique engendré dans l'inducteur de la lingotière par amenée d'un courant électrique, et le champ électromagnétique d'une spire stabilisatrice de la lingotière, pour mettre en forme la colonne de métal liquide, puis à refroidir le métal pour obtenir le lingot (ci., par exemple, brevet Etats-Unis dQmerique n 3e6050 865). On connais un dispositif pour la coulée continue de métaux, comprenant une lingotière cons-tituée par un inducteur électromagnétique, une spire stabilisabrice en matériauamagnétique à section transversale en forme de triangle dont un sommet est orienté vers l'intérieur de la lingotière, cette spire étant alignée avec l'inducteur et située à proximité de sa tranche, ainsi qu'un refroî- disseur annulaire de métal, aligné avec l'inducteur (ci., par exemple, brevet Etats Unis dtAmerique n" 3.605.865. La spire stabilisatrice diminue l'intensité du champ magnétique le long de la surface latérale de la colonne de métal liquide, afin que cette colonne ait dans sa section transversale une forme proche de celle du lingot. En même temps, la spire stabilisatrice constitue avec l'inducteur un système électrodynamique biphasé, qui engendre un champ magnétique glissant. Les forces électromagnétiques dirigées à contresens du contour principal de circulation, limitent l'intensité de la circulation engendrée par le champ à des valeurs assurant la stabilité du processus de coulée. Toutefois, ladite spire stabilisatrice n'assure pas un abaissement efficace de l'intensité de circulation du métal dans le cratère. il s'ensuit des complications notables dans l'obtention d'une structure homogène du lingot, surtout dans la coulée d'alliages d'aluminium à forts taux d'éléments d'addition. Les lingots élaborés ont une structure rubanée fortement marquée, ce qui, a- son tour, influe sur les propriétés mécaniques des lingots obtenus. On s'est donc proposé de créer un procédé de coulée continue de métaux et un dispositif pour sa mise en oeuvre, dans lesquels la suppression de la circulation du métal liquide dans le cratère du lingot et la conception de la spire stabilisatrice permettraient d'obtenir des lingots à structure homogène. La solution consiste en un procédé de coulée continue de métaux, suivant lequel le métal liquide est admis en continu dans la lingotière, od-il subit l'action d'un champ électromagnétique engendré dans l'inducteur de la lingotière par amenée d'un courant électrique, et l'action du champ électromagnétique d'une spire stabilisatrice de la lingotière, pour mettre en forme la colonne de métal liquide, puis le métal est refroidi pour obtenir le lingot, procédé dans lequel, d'après l'invention, le courant parcourant la spire stabilisatrice est déphasé en arrière, par rapport au courant de l'inducteur, d'un angle se situant entre 95 et 1650, et son amplitude est de 0,1 à 0,4 de l'amplitude du courant de l'inducteur. La solution consiste aussi en un dispositif pour la coulée continue de métaux, comprenant une lingotière constituée par un inducteur électromagnétique et une spire stabilisatrice en matériau amagnétîque à section transversale triangulaire dont le sommet est orienté vers l'intérieur de la lingotière, cette spire étant alignée. avec l'inducteur et située à proximité de sa tranche, ainsi qu'un refroidisseur annulaire de métal aligné avecl'inducteur, dispositif dans lequel, d'après l'invention, le rapport de la hauteur du triangle à son plus grand c3té dans la section de la spire stabilisatrice sesitue entre 0,7 et 0,96, la hauteur du triangle est parallèle à l'axe de l'inducteur, et le sommet du triangle se trouvant sur cette hauteur est décalé par rapport à la tranche de l'inducteur vers l'intérieur de la lingotière de 0,1 à 0,5 de la hauteur de l'inducteur, un refroidisseur supplémentaire de la spire stabilisatrice étant prévu dans le dispositif et la résistivité Q du matériau de la spire stabilisatrice étant déterminée par la relation fl a 10 9$ où f est la fréquence du courant circulant dans l'inducteur, K = 3 ou 4. Le procédé de coulée continue de métaux conforme à l'invention permet d'abaisser notablement l'intensité de la circulation du métal liquide dans le cratère du lingot et, de la sorte, d'obtenir des lingots de structure homogène. Cela résulte du fait que le courant parcourant la spire stabilisatrice de la lingotière est déphasé en arrière par rapport au courant de l'inducteur d'un angle se situant entre 95 et 165 , et que son amplitude se situe entre 0,1 et 0,4 de l'amplitude du-courant de l'inducteur. Si les courants circulant dans lginduc- teur et la spire stabilisatrice sont en phase ou en opposition de phase, le champ glissant n'est pas engendré et la composante verticale de la force électromagnétique est pratiquement nulle dans la couche superficielle de la phase liquide. Si le déphasage est de 95 à 1650, il apparait une composante verticale F de la force électromagnétique, dirigée vers le haut, à contresens des forces tour billomnaires F1 du contour principal de circulation. Selon les valeurs concrètes du déphasage et du rapport des amplitudes des courants, il s? établit un régime de circulation déterminé, c'est-à-dire une intensité déterminée. Conformément à ce qui vient d'être exposé, la vitesse de circulation du métal liquide dans le cratère est minimale, proche de zéro, aussi les bandes sont-elles complètement exclues dans la structure du métal; la qualité du lingot et l'homogénéité de sa structure s'améliorent Le dispositif pour la coulée continue de métaux faisant l'objet de l'invention permet de réaliser le procédé conforme à l'invention et d'obtenir des lingots de structure homogène. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celleoci apparaitront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode- de ' réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, avec référence au dessin non limitatif annexé dans lequel - la figure 1 représente un dispositif pour la coulée continue de métaux (coupe longitudinale) conforme à l'in- vention; - la figure 2 représente les contours principaux de circulation du métal dans le cratère du lingot et le sens d'action des forces -tourbillonnalres dans le métal liquide, d'après l'invention. Le procédé de coulée continuede métaux consiste en ce qui suit. Le métal est admis en continu dans la lingot tière. On fait agir sur le métal liquide un champ électromagnétique engendré dans l'inducteur par circulation d'un courant électrique, et le champ électromagnétique d'une spire stabilisatrice pour mettre en forme la colonne de métal liquide. Puis on refroidit le métal liquide pour obtenir le lingot. Le courant parcourant la spire stabilisatrice est déphasé en arrière par rapport au courant de l'inducteur d'un angle se situant entre 95 et 1650, et son amplitude est égale à 0,1-0,4 de l'amplitude du courant de l'inducteur.Par le procédé faisant l'objet de l'inven- tion, on élabore des lingots plats, ronds et creux à haute qualité de surface. Le dispositif pour la coulée de métaux comprend une lingotière 1 (figure 1) constituée par un inducteur électromagnétique 2, une spire stabilisatrice 3 et un refroidisseur annulaire 4. La spire stabilisatrice 3 est resali sée en matériau amagnétique et sa section transversale est en forme de triangle. Le sommet de ce triangle est orienté vers l'intérieur de la lingotière 1. La spire stabilisatrice 3 est située à proximité de la tranche de l'inducteur 2, avec lequel elle est alignée. Tee rapport de la hauteur h du triangle à son grand côté # se situe entre 0,7 et 0,96. Le sommet du triangle se trouve sur ladite 'flauteun et est décalé par rapport à la tranche de l'inducteur 2 à l'intérieur de la lingotière I d'une valeur d égale à 0,1-0,5 de la hauteur de l'induc- teur 2. La résistivité # du matériau de la spire stabilisa== trice 3 est déterminée par la relation # = 1/K .f. 10-9 # m; ou 9 est la fréquence du courant circulent dans l'inducteur 2, et K=3 ou 4. Le refroidisseur annulaire 4 est aligné avec l'induc- teur 2. Le dispositif comporte un refroidisseur annulaire supplémentaire 5 pour la spire stabilisatrice 3. Le refroidisseur supplémentaire 5 est réalisé sous la forme d'une virole 6, hermétiquement assemblée auz bords avec la spire stabilisatrice 3, de façon à former une enceinte pour la circulation du liquide de refroidissement Les raccords 7, 8 sont destinés à amener et à évacuer le liquide de refroi dissement Le moyen 9 pour la fixation et le déplacement de la spire stabilisatrice le long de l'axe de la lingotière 1 comprend un goujon 10 fixé par un filetage Il dans le corps du refroidisseur 4. Sur le goujon 10 est fixée une plaque 12, qui est serrée par un écrou 13.La spire stabilisatrice 3 est rigidement fixée à la plaque 12. Une vis de réglage 14 montée sur la plaque 12 bute par son bout contre une plaque protectrice 15qui est fixée au corps du refroidisseur 4. Le corps du refroidisseur annulaire 4 est constitué par deux parties assemblées à joint étanche, dans lesquelles sont percés des trous 16 débitant le liquide de refroidissement sur la surface du lingot. Le corps du refroidisseur 4 a une gorge circulaire 17 dans laquelle est logé l'inducteur 2. L'admission du métal liquide dans la lingotière 1 s'effectue par un chenal 18, à travers un entonnoir 19 de réception, sur une plaque 20 de fond, qui est placée sur la table 21 de la machine de coulée La table 21 est déplacée par un moteur électrique 22. Le dispositif pour la coulée continue de métaux fonctionne de la façon suivante. Avant le début de la coulée, la plaque 20 de fond est engagée à l'intérieur de l'inducteur 2 à l'aide du moteur électrique 22 de la machine de coulée Le liquide de refroidissement est débité sur la surface latérale de la plaque 20 de fond, à travers les trous 16 du refroidisseur annulaire 4, et la tension alternative est appliquée à l'inducteur 2. Ensuite le métal liquide est admis par le chenal 18 dans l'entonnoir 19 de réception, d'où il descend dans la lingotière 1, sur la plaque 20 de fond immobile. Sous l'action du champ de l'inducteur 2, il se forme une colonne de métal liquide. Quand la hauteur de la colonne de métal liquide atteint 40 à 50 mm, la plaque 20 de fond, actionnée par le moteur électrique 22, commence à descendre à une vitesse déterminée parla méthode de coulée du lingot considéré. Au début de la coulée, le mtéal se solidifie par suite de l'extraction vze la chaleur de surchauffe par la plaque 20 de fond, puis, au fur et à mesure que le lingot descend, le liquide de refroidissement arrive directement sur la surface du lingot, en assurant la formation de la peau dulingot dans les limites de la zone d'action du champ magnétique de l'inducteur 2 L'intensité du courant de l'inducteur 2 détermine les dimensions transversales de la colonne de métal liquide formée et, par conséquent, celles du lingot. La forme du lingot est déterminée par-la forme de 1 'induc- teur 2. C'est pourquoi, afin d'éviter l'altération de la forme au cours de l'utilisation, l'inducteur 2 est logé dans la gorge circulaire 17. Pendant la coulée, le champ magnétique de l'inducteur 2 induitodes courants de Foucault dans la spire stabilisatrice 3. Par leur intéraction avec le courant de l'inducteur 2, ces courants engendrent dans la colonne de métal liquide des forces électromécaniques F (lgure 2), dirigées à contresens de l'action des forces tourbillonnaires F1 engendrant la circulation du métal fondu, et, de la sorte, diminuent l'intensité de la circulation. L'interaction du courant de la spire stabilisatrice 3 avec le courant de l'inducteur 2 s'intensifie, et, par conséquent, l'intensité de la circulation diminue, quand les dimensions de la section transversale de la spire stabilisatrice 3 augmentent. La diminution du rapport h/dret l'augmentation de la profondeur de pénétration de la spire stabilisatrice à l'intérieur de l'inducteur 2 diminuent l'intensité de la circulation. Cela résulte du fait que l'augmentation de la section de la spire stabilisatrice 3 et de sa pénétration dans l'inducteur 2 provoquent une diminution du déphasage entre les courants de l'inducteur 2 et de la spire -stabilisatrice 3, ainsi qu'une augmentation du rapport entre les amplitudes des courants de la spire stabilisatrice 3 et de l'inducteur 2. Pour que le déphasage entre les courants de l'induc teur 2 et de la spire stabilisatrice 3, ainsi que le rapport entre les amplitudes de ces courants, se situent toujours dans les plages optimales indiquées plus haut, la résistivité du matériau constituant la spire stabilisatrice 3 doit être choisie en accord avec la relation: La section transversale de la spire stabilisatrice 3 et la profondeur de sa pénétration dans l'inducteur 2 dépendent de la forme, des dimensions et de l'alliage du lingot à couler.La position nécessaire de la spire stabilisatrice est choisie par réglage dans chaque cas coencrete Le déplacement de la spire stabilisatrice s'effectue à l'aide de la vis 14aet son blocage, à l'aide du goujon 10 et de l'écrou 13e Après coulée d'un lingot de longueur prescrite, on interrompt l'admission du métal, on arrête la plaque 20 de fond et on coupe l'admission du liquide de refroidis serment. Après solidification complète de la masselotte superieure du lingot, on coupe l'alimentation électrique de l'inducteur 2. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par des exemples de réalisation concrets mais non limitatifs. Exemple 1-. On a coulé des lingots d'un diamètre de 345 mm en alliage du type duralumin, en employant une fréquence = 2400 Hz et une vitesse d'extraction de 37 à 38 mm/min. Le courant circulant dans la spire stabilisatrice 3 était réglé à l'aide d'un transformateur dgadaptation à rapport de transformation variable; le déphasage entre les courants de l'inducteur 2 et de la spire stabilisatrice 3 était réglé au moyen d'un déphaseur. il a été établi que, lorsque le rapport entre les courants de la spire stabilisatrice 3 et de l'inducteur 2 était egal à 0,4, la circulation du métal se rapprochait du minimum Quand le courant circulant dans la spire stabilisatrice était déphasé en arrière de 1350 par rapport au courant de l'inducteur 2, la vitesse du métal était inférieure à 0,5 cm/s.Ce régime de circulation permettait d'obtenir une structure suffi- samment homogène, sans bandes. Exemple 2. On a coulé des lingots d'un diamètre de 345 mm en alliage du type duralumin, en employant une fréquence f 2400 Hz et une vitesse d'extraction de 37 à 38 mm/min. On a utilisé à tour de rôle trois spires stabilisatrices 3 à rapport h/8 de 0,96, 0,86 et 0,71, respectivement. Pour d = 0,25C, et toutes autres conditions étant égales, le régime à vitesse de circulation minimale a été obtenu avec le rapport h# = 0,71. L'étude de la structure du lingot sur échantillons macrographiques dans les direc- tions transversale et longitudinale a montre que la dimi- nution du rapport h/# améliorait l'homogénéité de la structure du lingot. REVENDICATIONS 1. Procédé de coulée continue de métaux, consistant à admettre le métal liquide en continu dans une lingotière 1, à faire agir sur le métal liquide, d'une part, un champ électromagnétique engendré dans l'inducteur 2 de la lingotière 1 par un courant électrique, d'autre part, le champ électromagnétique d'une spire stabilisatrice 3 de la lingotière, en vue de la formation d'une colonne de métal liquide qui est ensuite refroidie pour obtenir le lingot voulusscarac- térisé en ce que le courant parcourant la spire stabilisatrice 3 est déphasé en arrière, par rapport au courant de l'inducteur 2, d'un angle se situant entre 95 et 1650, et que son amplitude est de 0,1 à 0,4 de l'amplitude du courant de l'inducteur. 2. Dispositif pour la coulée continue de meatau ; du type comprenant une lingotière (1) constituée par un inducteur électromagnétique (2) et une spire stabilisatrice (3) en matériau amagnétique et à section transversale triangulaire dont le sommet est orienté vers l'intérieur de la lingotière (1), cette spire étant axialement alignée avec l'inducteur (2) et située en voisinage immédiat de la tranche de ce dernier, ainsi qu'un refroidisseur annulaire (4) du- métal, disposé coaxialement à l'inducteur (1), caractérisé en ce que le rapport entre, d'une part, la hauteur du triangle formé par la section transversale de la spire stabilisatrice (3), et d'autre part, le plus grand c8té dudit triangle, se situe entre 0,7 et 0,96, la hauteur dudit triangle étant parallèle à l'axe-de l'inducteur (2), et le sommetdudit triangle se trouvant sur ladite hauteur étant décalé par rapport à la tranche de l'inducteur (2) vers l'intérieur de la lingotière (1) de 0,1 à 0,5 de la hauteur de lfinX ducteur (2), un refroidisseur supplémentaire (5) pour la spire stabilisatrice (3) étant prévu dans le dispositif et la résistivité # du matériau de la spire stabilisatri ce (3) étant déterminée par la rélation # = 1/K .f.10-9 #m, où f est la fréquence du courant circulant dans l'inducteur, K = 3 ou 4. 3. Lingots caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par le procédé faisant l'objet de la revendication. 1.