Brevet FR2580202A1 — publié le 19861017

L'invention concerne le domaine de la métallurgie, en particulier les procédés de coulée continue des métaux et alliages légers sans recours à des moules, et a notamment pour objet un procédé de coulée de métaux dans des lingotières électromagnétiques, ainsi que les lingots obtenus par ledit procédé. Les procédés de coulée des métaux dans des lingotières électromagnétiques sont appliqués de préférence à la coulée de l'aluminium et de ses alliages, mais ils peuvent aussi être appliqués- à la coulée d'autres métaux et alliages légers amagnétiques. Les lingots d'aluminium et d'alliages d'aluminium élaborés par coulée du métal dans une lingotière électromagnétique sont ensuite utilisés dans les lamineries, principalement pour la production de tôles. Pour que le laminoir puisse fonctionner d'une manière sûre et sans interruptions, il convient de créer toutes les conditions nécessaires à son fonctionnement normal et à la diminution de l'usure des cylindres. L'une des conditions essentielles en est l'obtention d'un lingot à surface lisse et unie sur toute sa longueur. C'est pourquoi l'élaboration de lingots de dimensions prescrites, présentant une surface lisse et unie suivant toute sa longueur, est un aspect important du processus de coulée du métal. Traditionnellement, l'élaboration de lingots de dimensions prescrites et à surface de qualité s'effectue par le procédé de coulée dans une lingotière électromagnétique, qui consiste à admettre en continu le métal fondu dans l'inducteur de la lingotière électromagnétique. Le lingot est mis en forme sous l'action du champ électromagnétique engendré par un courant de fréquence prédéterminée circulant dans l'inducteur. Le début de la solidification du lingot a lieu sur la plaque de fond de la lingotière. Au fur et à mesure que le métal se solidifie,le lingot est extrait en continu de l'inducteur de la lingotière par déplacement de la plaque de fond. Il en résulte une surface latérale lisse du lingot, ne nécessitant aucun usinage supplémentaire avant le laminage. Le champ électromagnétique alternatif engendré par l'inducteur à une seule spire de la lingotière électromagnétique, qui entoure le lingot, induit dans le métal fondu des courants de Foucault, lesquels, par suite de l'effet de peau, se concentrent dans la couche superficielle du lingot. Le périmètre du lingot constitue alors une spire fermée parcourue par un courant dont l'interaction avec le champ de l'inducteur crée une pression de contraction sur le métal liquide. La forme de la section du lingot obtenu est semblable à la forme de l'inducteur. C'est pourquoi il est possible de donner à la section du lingot toute forme voulue. Par coulée du métal dans une lingotière électromagnétique, on élabore principalement de gros lingots d'aluminium ou d'alliages d'aluminium d'un poids de 6t ou plus. Les sources utilisées pour.l3alimentation de l'inducteur de la lingotière électromagnétique sont des convertisseurs statiques de fréquence, d'une puissance de 60 à 160 kW, à fréquence du courant de sortie de 1000 à 2400 Hz. Plus les dimensions de la section du lingot sont grandes, plus la puissance de la source nécessaire à la coulée doit être élevée et plus la fréquence du courant de sortie doit être basse. On connaît un procédé de coulée de métaux dans une lingotière électromagnétique (certificat d'auteur URSS nO 616 051, déposé le 30.08.73, publié dans le Bulletin "Découvertes, inventions, modèles industriels et marques, nO 27, 1978), consistant à admettre en continu le métal fondu dans l'inducteur de la lingotière électromagnétique, le champ électromagnétique engendré par un courant de fréquence prédéterminée circulant dans l'inducteur met en forme le lingot, dont le début de la solidification a lieu sur la plaque de fond de la lingotière, et, au fur et à mesure que le métal se solidifie, le lingot est extrait en continu de l'inducteur de la lingotière par déplacement de la plaque de fond.Dans ce procédé, la fréquence du courant circulant dans l'inducteur est choisie en tenant compte de la résistivité électrique du métal fondu dans l'inducteur, c'est-à-dire en régime établi de la mise en forme d'un lingot de section prédéterminée. Or, au moment initial de la solidification du lingot sur la plaque de fond, la valeur de la pression électrodynamique produite par le champ électromagnétique de l'inducteur est fortement influencée par la plaque de fond, dont la résistivité électrique est de 3 à 5 fois plus faible que celle du métal fondu. Aux différentes valeurs de la résistivité électrique correspondent,pour une fréquence donnée du courant dans l'inducteur, différentes pressions électrodynamiques. C'est pourquoi la partie initiale du lingot, dont la mise en forme a lieu dans l'inducteur en présence de la plaque de fqnd, a une section droite qui est en moyenne de 10% plus petite que la section prescrite du lingot. Cette partie du lingot à section droite plus petite est séparée mécaniquement de la partie principale du lingot et envoyée à la refusion. Les lingots coulés par ce procédé ont un grand poids unitaire, en moyenne de 6 t, le poids de la partie séparée de chaque lingot constituant de 3 à 5% du poids du lingot, en moyenne de 180 à 200 kg. On s'est donc proposé d'élaborer un procédé de coulée de métaux dans une lingotière électromagnétique, dans lequel le champ électromagnétique mettant le lingot en forme serait engendré par un courant de fréquence telle, qu'elle permettrait d'obtenir un lingot dont la section droite serait constante suivant toute la longueur du lingot, ce qui réduirait les chutes de métal. La solution consiste en un procédé de coulée de métaux dans une lingotière électromagnétique, suivant lequel le métal fondu est admis en continu dans l'inducteur de la lingotière, le champ électromagnétique engendré par un courant de fréquence prédéterminée circulant dans l'inducteur met en forme le lingot, dont le début de la solidification a lieu surIe plaque de fond de la lingotière, et, au fur et à mesure que le métal se solidifie, le lingot est extrait en continu de l'inducteur par déplacement de la plaque de fond, procédé dans lequel, d'après l'invention, quand la plaque de fond se trouve dans l'inducteur, la mise en forme du lingot est réalisée à une fréquence du courant assurant l'équilibre entre la pression hydrostatique du métal fondu et la pression électrodynamique produite par le champ électromagnétique de l'inducteur pour une section droite donnée du lingot, puis, quand la plaque de fond sort de l'inducteur, la fréquence du courant est augmentée d'une valeur proportionnelle à la diminution de la pression électrodynamique produite par le champ de l'inducteur. De la sorte, le procédé de coulée de métaux dans une lingotière électromagnétique, faisant l'objet de l'invention, permet d'élaborer des lingots à section constante sur toute leur longueur et, par conséquent, d'augmenter le rendement de la coulée en métal sain de 3 à 5% en moyenne. Ceci accroît la productivité du travail, réduit les dépenses d'énergie électrique, car la puissance de la source électrique alimentant la lingotière électromagnétique diminue d'au moins deux fois. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront 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 références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement la lingotière électromagnétique au moment initial de la mise en forme du lingot, quand la plaque de fond se trouve dans l'inducteur de la lingotière (vue en coupe longitudinale partielle); - la figure 2 représente schématiquement la lingotière électromagnétique lors de la mise en forme du lingot, quand la plaque de fond se trouve hors de l'inducteur de la lingotière (vue en coupe longitudinale); - la figure 3 représente le schéma électrique de principe de la source alimentant l'inducteur de la lingotière. Le procédé de coulée de métaux dans une lingotière électromagnétique consiste en ce qui suit. D'abord, avant de procéder à la coulée du métal, la plaque de fond 2 (figure 1) est engagée dans l'inducteur 1 de la lingotière électromagnétique par déplacement jusqu'à sa position haute à l'aide de la machine de coulée 3. Ensuite un champ électromagnétique est créé dans l'inducteur 1 et le métal fondu 4 est admis en continu (des flèches montrent le sens d'écoulement du métal fondu 4) sur la plaque de fond 2 à travers la goulotte 5 du dispositif d'alimentation en métal liquide (non représenté sur les dessins). Le champ électromagnétique engendré par l'inducteur 1 met en forme le lingot 6, dont la solidification commence sur la plaque de fond 2. Au fur et à mesure que le métal 4 se solidifie, le lingot 2 est extrait en:continu de l'inducteur 1, à travers la rampe d'arrosage 7, par déplacement de la plaque 2 de fond. L'intéraction du champ de l'inducteur 1 avec les courants de Foucault induits dans le métal fondu 4 fait apparaître des forces de répulsion, sous l'action desquelles il se forme un jeu entre le métal et l'inducteur. Le rayon r du lingot devient inférieur au rayon r1 de l'inducteur. Pour- obtenir des dimensions stables de la section droite du lingot 6 en cours de formation, on assure une égalité entre la pression hydrostatique P1 du métal fondu 4 et la pression électrodynamique P2 produite par le champ électromagnétique de l'inducteur 1: P1 = P2 (1) La pression hydrostatique P1 est déterminée par la hauteur h1 du métal fondu 4, et la pression électrodynamique P2 produite par le champ électromagnétique de l'inducteur 1 est déterminée par la formule étant le courant dans itinducteur, W, le nombre de spires de l'inducteur, 1, la hauteur de l'inducteur, un un coefficient dépendant des caractéristiques de construction et électriques de l'inducteur et du métal # o, &alpha;;, ss, WO, le critère de fréquence relative du courant circulant dans l'inducteur, égal à o at0.W r2 étant la perméabilité magnétique du vide, o' la , la conductivité électrique du métal, égale à 1/R, R étant la résistance du métal, égale à is étant la résistivité du métal dans l'inducteur, S, l'aire de la section droite du lingot, la la pulsation du courant circulant dans l'in- ducteur, égale à 2 #f, f etant la fréquence du courant circulant dans l'inducteur OL est égal à r )3 est égal r1 r2 r1 étant le rayon de l'inducteur. r2, le rayon calculé de l'inducteur. Dans un cas concret de réalisation de la lingotière électro magnétique: r1 = = constant (3) r2 a = 1 = constant (4) r2 oil constant La formule (5) fait apparaître que le critère de la fréquence relative est fonction de la fréquence F du courant circulant dans l'inducteur et de la résistivité électrique% du métal dans l'inducteur, la relation étant telle qu'une augmentation de la résistivité électrique du métal dans l'inducteur provoque une diminution du coefficient 8 , tandis qu'un accroissement de la fréquence f du courant circulant dans l'inducteur entraîne une augmentation de O A leur tour, les variations du coefficient 8 provoquent des variations de la pression électrodynamique P2 produite par le champ électromagnétique de l'inducteur, ce qui perturbe l'équilibre entre la pression hydrostatique du métal fondu et ladite pression électrodynamique, entraînant ainsi des variations de la section droite du lingot en cours de formation dans l'inducteur. Au moment initial de la coulée du métal, quand la plaque de fond 2 à résistivité électrique > D1, et une petite quantité de métal fondu 4 à résistivité électrique se 2 Se trouvent dans l'inducteur 1, la valeur de la pression électrodynamique produite par le champ de l'inducteur 1 est principalement influencée par la plaque de fond 2. Au fur et à mesure que la plaque de fond 2 sort de l'inducteur 1, l'influence exercée sur la valeur de la pression électrodynamique par le métal fondu 4 à résistivité électrique P2 devient de plus en plus grande. Compte tenu de l'accroissement de la résistivité électrique P du métal dans l'inducteur 1 au fur et à mesure de la sortie de la plaque de fond 2, et par conséquent, de la diminution du coefficient 8 , on augmente la fréquence du courant de l'inducteur 1, ce qui augmente la valeur du coefficient # et par conséquent la valeur de la pression électrodynamique P2, en assurant ainsi une égalité entre la pression hydrostatique P1 du métal fondu 4 et la pression électrodynamique P2 produite par le champ de l'inducteur 1. Le processus de coulée du métal se stabilise quand la hauteur h1 de la zone liquide atteint 30 à 40 mm. Pour accroître la stabilité du processus de coulée, on emploie un écran 8 disposé au-dessus de l'inducteur 1. L'écran 8 est un anneau fermé en matière amagnétique, dont l'épaisseur augmente progressivement de bas en haut. L'écran 8 assure la loi requise d'affaiblissement de la pression électrodynamique P2 suivant la hauteur, correspondant à la loi d'affaiblissement de la pression hydrostatique P1, ainsi qu'une diminution de la pulsation et de la circulation du métal fondu 4, qui ont une influence nuisible sur la mise en forme et la structure du métal du lingot 6. Quand la plaque de fond 2 se déplace hors de l'inducteur 1 et n'a pas d'influence sur la pression électrodynamique P2 (figure 2), l'équilibre entre P1 et P2 est assuré en alimentant l'inducteur 1 en courant de fréquence prescrite f2. La coulée du métal est donc conduite en tenant compte des variations du coefficient 9 et, par conséquent, de la pression électrodynamique P2, c'est-à-dire qu'au moment initial l'égalité P1 = P2 est assurée en alimentant l'inducteur 1 en un courant dont la fréquence f1 est choisie expérimentalement, inférieure à celle de la fréquence prescrite f2 d'une valeur proportionnelle à la variation de la pression électrodynamique P2. Le front de solidification, c'est-à-dire la frontière entre les phases liquide et solide du lingot 6 sur sa surface latérale située dans le plan "a-a", se déplace vers le haut pendant la coulée, de sorte que la ceinture de refroidissement située dans le plan "b-b" se trouve toujours au-dessous de ce front, à une distance h2 de celui-ci. La hauteur h2 de la partie solidifiée (peau) du lingot 6 dépend dans une plus grande mesure de la vitesse de coulée, c'est-à-dire du déplacement de la plaque de fond 2, et, dans une mesure moindre, du débit d'eau, la température de l'eau étant pratiquement sans influence. Le front de solidification "a-a" doit se trouver au niveau du plan transversal de symétrie de l'inducteur 1, où l'intensité du champ est maximale. Au fur et à mesure que le métal 4 se solidifie sous l'action de l'eau débitée par la rampe 7, le lingot 6 est extrait en continu de l'inducteur 1 par déplacement de la plaque de fond 2, et l'inducteur 1 encercle le métal jusqu'à la fin du cycle de coulée du métal fondu 4 à résistivité électrique 9 2 plus grande que s 1 Pour maintenir, dans ce cas, l'équilibre entre la pression hydrostatique P1 du métal fondu 4 et la pression électrodynamique P2 produite par le champ de l'inducteur 1, on augmente la fréquence f1 du courant alimentant l'inducteur 1 d'une valeur proportionnelle à la diminution de la pression électrodynamique P2 produite par le champ de l'inducteur 1, puis, jusqu'à la fin du cycle de coulée, la fréquence f2 du courant alimentant l'inducteur 1 est maintenue constante, car l'état du métal reste lui aussi constant dans l'inducteur 1. Pour engendrer le champ électromagnétique dans l'inducteur 1, celui-ci est alimenté par un convertisseur statique de fréquence 9 (figure 3) qui permet de régler la fréquence du courant circulant dans l'inducteur 1. Le convertisseur statique de fréquence 9 est constitué par un onduleur autonome en pont, réalisé avec des thyristors 10, 11, 12, 13 et des diodes 14, 15, 16, 17 montées en anti-parallèle sur ces thyristors, une diagonale du pont étant formée par un condensateur 18 de commutation, le primaire d'un transformateur 19 d'adaptation et une inductance 20 de commutation montés en série, et sa seconde diagonale, formée par une inductance de protection 21 et un condensateur 22 de découplage, étant branchée par l'intermédiaire d'une inductance 23 d'entrée à une source 24 d'alimentation. Le secondaire du transformateur 19 d'adaptation de ce convertisseur, auquel est connecté l'inducteur 1 de la lingotière électromagnétique, est shunté par une batterie 25 de condensateurs et son point milieu est mis à la terre. Le convertisseur statique de fréquence fonctionne de la façon suivante. Le condensateur 22 de découplage est normalement chargé à partir de la source 24 d'alimentation, via le condensateur 23 d'entrée et l'inductance 21 de protection, jusqu'à la tension de la source 24 d'alimentation. Le condensateur 18 de commutation a, par exemple, la polarité indiquée sur la figure 3. Quand les impulsions de déblocage fournies par le système de commande (le système de commande n'est pas représenté sur la figure 3) attaquent les thyristors 10, 12, ceux-ci deviennent passants et le condensateur 18 de commutation est rechargé sous la polarité inverse par le circuit: condensateur 18 - primaire du transformateur 19 - inductance 20 - thyristor 12 - condensateur 22 - inductance 21 - thyristor 10 - condensateur 18. Les caractéristiques des éléments du circuit indiqué sont calculées de telle sorte que le processus de recharge ait un caractère oscillatoire. C'est pourquoi, dès que le condensateur 18 de commutation est rechargé sous polarité inverse et que le courant oscillatoire des thyristors 10, 12 passe par le zéro, ces thyristors sont bloqués. Du fait que le condensateur 18 de commutation s'est rechargé en régime oscillatoire, après le blocage des thyristors 10, 12 les diodes 14, 16 entrent exaction et éliminent l'énergie réactive par le circuit : condensa teur 18 - diode 14 - inductance 21 - condensateur 22 diode 16 - inductance 20 - primaire du transformateur 19 condensateur 18. Dès que le courant oscillatoire des diodes 14, 16 passe par le zéro et que la tension au condensateur 18 de commutation devient inférieure à la tension de la source 24 d'alimentation, les diodes 14, 16 sont elles aussi bloquées. Ensuite, les impulsions de déblocage fournies par le système de commande pour la mise des thyristors 11, 13 à l'état passant leur sont appliquées, puis, après leur blocage, les diodes 15, 17 entrent en action en terminant le cycle complet de fonctionnement du convertisseur 9. Ensuite, les thyristors 10, 12 sont de nouveau mis à l'état passant et le processus de fonctionnement se répète comme décrit plus:haut. Pour mieux exploiter la puissance réactive des condensateurs de la batterie 25, on utilise un enroulement élévateur du transformateur 19 d'adaptation.à haute fréquence. Etant donné que l'inducteur 1 de la lingotière électromagnétique est conçu et calculé pour une tension d'utilisation basse (de 40 à 110 V), il n'est branché que sur une petite partie du secondaire du transformateur 19 d'adaptation. Afin de garantir la sécurité du personnel desservant la lingotière électromagnétique, le point milieu du secondaire du transformateur 19 d'adaptation est mis à la terre. Par variation des instants d'amorçage des thyristors (10, 12) et (11, 13) (par décalage des impulsions de déblocage, mettant les thyristors 11, 13 à l'état passant, par rapport aux impulsions de déblocage des thyristors 10, 12), il est possible de faire varier la fréquence f du courant de sortie du convertisseur 9 et de régler sa puissance de sortie. De la sorte, l'application du procédé décrit de coulée de métaux dans une lingotière électromagnétique permet de stabiliser les dimensions de la section du lingot sur toute sa longueur, y compris sa partie initiale (de fond), en augmentant le rendement en métal sain, en accroissant la productivité du travail et en réduisant les dépenses d'énergie électrique pour la coulée. Exemple Pour élaborer un lingot de 1540x300x6000 mm en alliage d'aluminium, la fréquence du courant de l'inducteur est réglée à 1750Hz(f1) quand la plaque de fond se trouve dans l'inducteur, et à 18OOHz (f2), quand la plaque de fond est sortie de l'inducteur. Dans ce cas, l'égalité de la pression hydrostatique et de la pression électrodynamique est obtenue, pourra section prescrite du lingot, pendant tout le cycle de coulée, ce qui accroît la précision de stabilisation dimensionnelle de la section droite du lingot sur toute sa longueur. R E V E N D I C AT I 0 N S 1. Procédé de coulée de métaux dans une lingotière électromagnétique, suivant lequel le métal fondu est admis en continu dans l'inducteur (1) de la lingotière, le champ électromagnétique engendré par un courant de fréquence prédéterminée circulant dans l'inducteur (1) met en forme le lingot (6), dont le début de la solidification a lieu sur la plaque de fond (2) de la lingotière, et, au fur et à mesure que le métal (48 se solidifie, le lingot (6) est extrait en continu de l'inducteur (1) par déplacement de la plaque de fond (2), caractérisé en ce que, lorsque la plaque de fond (2) se trouve dans l'inducteur (1), la mise en forme du lingot (6) est réalisée à une fréquence du courant assurant l'équilibre entre la pression hydrostatique du métal fondu (4) et la pression électrodynamique produite par le champ électromagnétique de l'inducteur (1), pour une section droite donnée du lingot (6), puis, quand la plaque de fond sort de l'inducteur (1), la fréquence du courant est augmentée d'une valeur proportionnelle à la diminution de la pression électrodynamique produite par le champ de l'inducteur (1). 2. Lingots caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par le procédé faisant l'objet de la revendication 1.