Brevet FR2614222A1 — publié le 19881028

PERFECTIONNEENT AU PROCEDE DE SOLIDIFICATION DE IETAL LIQUIDE DANS UNE ROUE DE COULEE La présente invention concerne un perfectionnement au procédé de solidifi- cation de métal liquide dans une roue de coulée. Il est connu de fabriquer en continu des ébauches de laminage, notamment en aluminium ou en ses alliages, au moyen de machines o le métal est coulé dans une gorge usinée sur la périphérie d'une roue métallique tournant autour d'un axe horizontal et maintenu dans ladite gorge sur une partie de son parcours pendant le temps nécessaire à une solidification au moins partielle. Ce maintien est réalisé au moyen d'un ruban métallique refroidi qui se déplace à la même vitesse que la gorge et qui est appliqué contre elle à l'aide de poulies de renvoi convenablement disposées. La description d'une telle machine est faite dans le brevet français n 1 551 447. L'un des objectifs de l'homme de l'art de la coulée est d'obtenir des produits ayant la meilleure homogénéité physique et chimique possible, ceci afin d'éviter l'apparition de certains défauts lors de la transforma- tion ultérieure de ces produits en fils, feuilles, etc... Or, la plupart des procédés de coulée donne lieu lors du passage du métal liquide à l'état solide à la formation de défauts d'homogénéité plus ou moins importants dus essentiellement à des conditions de refroidissement hétérogènes d'un point à l'autre des produits coulés. Il en est ainsi pour le procédé de coulée dans une roue o le métal, qui est amené à l'état liquide au moyen d'une busette en un point de la gorge, se solidifie progressivement le long de ladite gorge en cédant ses calories simultanément à la roue et au ruban refroidi par de l'eau pulvérisée par des bottes. En effet, on observe que dans ces conditions les ébauches obtenues présentent à coeur une structure cristalline équiaxe tandis qu'à la périphérie cette structure est colonnaire, hétérogénéité qui donne lieu à la formation de criques préjudiciables à la qualité des produits obtenus par la suite. En outre, dans ce type de coulée, le métal se rétracte et se décolle du ruban refroidi durant la solidification. Il en résulte alors une dégradation des échanges thermiques de l'ébauche avec le ruban, qui se traduit par l'apparition au sein de l'ébauche de défauts tels que les ségrégations inverses et les porosités ouvertes ou non. Certes, des solutions ont été proposées pour remédier à ces inconvénients. Ainsi, en ce qui concerne l'hétérogénéité cristalline, l'ajout avant la coulée d'agents modificateurs tels que l'alliage aluminium-titane- bore a pour effet d'affiner la taille des grains du métal et éventuellement de supprimer certains autres défauts. Cependant, ces agents peuvent être nuisibles à la qualité de certaines ébauches. Ainsi, lorsqu'il s'agit de la coulée d'A-5L (Al à 99,5 %) ou autre métal destiné à être transformé en conducteurs électriques, la présence de certaines impuretés contenues dans l'agent modificateur peut être préjudiciable à la conductibilité du métal; de même, une mauvaise dispersion de l'agent dans un métal destiné à la fabrication de fil peut donner lieu, par formation d'inclusions, à des casses au moment du tréfilage ou tout au moins à une diminution locale de la résistance mécanique. De plus, ces agents sont relativement chers et leur utilisation grève d'autant le prix de revient des produits fabriqués. C'est dans le but d'éviter l'utilisation des agents modificateurs et d'obtenir des ébauches ayant une structure à grains fins et éventuellement exemptes de ségrégations- et de porosités, que la demanderesse a mis au point un procédé caractérisé en ce que l'on soumet le métal en cours de solidification dans la gorge de la roue d'une machine de coulée à des forces électromagnétiques d'intensité variable et dont la direction d'action principale est parallèle à la direction de déplacement de l'ébauche. Ainsi, l'invention consiste à soumettre le métal en cours de solidification dans la gorge à des forces électromagnétiques. On sait que le métal liquide, admis en un point de la gorge au moyen d'une busette, ne se solidifie pas instantanément sur toute la section de la gorge mais, que cette solidification concerne d'abord la partie du métal qui se trouve à la périphérie de la gorge et au contact du ruban. Cette solidification gagne progressivement le coeur de la section de sorte que, suivant le sens de rotation de la roue, du métal liquide peut encore être présent dans une roue de diamètre 140 cm I plus de 1 m du point o il a été admis. C'est le long de cette zone, o le métal liquide et le métal solide sont au contact suivant une surface dite "front de solidification", surface qui peut être plus ou moins floue dans le cas d'alliages en raison de la formation d'un mélange liquide- solide encore appelé "marais", que l'on applique les forces électromagnétiques. Ces forces, d'origine électriques comme leur nom l'indique, ont pour effet d'imprimer au métal liquide contenu dans la gorge un mouvement ayant une certaine vitesse et dont la direction d'action principale est parallèle à la direction du déplacement de l'ébauche, c'est-à-dire parallèle aux parois de la gorge. Ces forces étant d'intensité variable, on peut les régler pour donner au métal un mouvement dont la vitesse est adaptée à la nature du métal coulé, à la géométrie de la gorge et aux résultats recherchés. Ainsi, on peut par exemple augmenter l'intensité des forces en fonction directe de la profondeur de la gorge. La composante principale de ces forces est appliquée aussi bien dans le sens du déplacement de l'ébauche, c'est-à-dire dans le sens de la rotation de la roue, que dans le sens opposé. Si dans certains cas, les forces sont appliquées dans le même sens tout au long de la coulée, il en est d'autres o ces forces sont inversées périodiquement dans le temps au cours d'une même coulée. De préférence, cette période est liée à la vitesse de rotation V et au rayon R de la roue et doit être comprise entre O,04R/V et 0,4R/V Mais, on peut également, appliquer simultanément le long du métal en cours de solidification, en différents endroits de la gorge des forces dirigées dans un sens et dans l'autre. Dans ce cas, les forces exercées dans un sens ont un rayon d'action qui couvre au moins une longueur de gorge de 20 cm. Pour faire face à la plupart de ces cas de figures, des forces électromagnétiques de valeur maximale par unité de volume comprises entre 5.000 et 120.000 N/m3 conviennent. Mais de préférence, on se limite à des valeurs comprises entre 18.000 et 80.000 N/m3. Dans ces conditions, on constate que si l'on coule un métal non affiné initialement par un agent modificateur, on obtient une ébauche ayant des ségrégations moins marquées, peu de porosités à coeur et surtout un grain de fonderie fin et homogène. L'invention concerne également un moyen pour créer les forces électromagnétiques nécessaires, à la réalisation du procédé. Ce moyen consiste à associer au moins un inducteur à champ glissant à la gorge de la roue dans la zone o le métal est en cours de solidification et plus particulièrement un moteur linéaire. L'homme de l'art dans le domaine de l'électrotechnique connart l'existence plus que centenaire des inducteurs à champ magnétique glissant et notamment du moteur linéaire qui n'a suscité d'intérêt que depuis quelques années seulement, notamment dans ses applications à la traction ferroviaire. Ces moteurs linéaires sont de manière générale constitués par deux armatures magnétiques planes et immobiles, dites inducteurs dans l'entrefer desquelles peut glisser une bande conductrice ou induit. Plus précisément, les armatures ont une forme parallélépipédique et présentent sur leurs faces en regard des encoches dans lesquelles sont logés des enroulements électriques. Si ces enroulements, convenablement répartis, sont alimentés par un courant polyphasé, le champ magnétique principal et la force magnétomotrice se propagent suivant l'axe longitudinal de l'inducteur sous la forme d'une onde d'induction glissante à la vitesse linéaire Vc -Jk-1 o x est le nombre d'ondes etuJla pulsation du courant. Le flux magnétique correspondant traversant l'entrefer engendre dans l'induit des forces électromagnétiques et par suite des courants; le flux magnétique dérivant de ces courants glisse par rapport à l'inducteur et à l'induit, mais reste immobile par rapport au flux principal. L'intéraction de ces deux flux crée une poussée linéaire suivant l'axe longitudinal de l'inducteur qui est motrice lorsque la vitesse mécanique de l'induit est inférieure à celle Vc du champ. De tels moteurs linéaires sont caractérisés en fonction du nombre d'enroulements qu'ils comportent, de la fréquence des courants électriques qui les alimentent et par leur pas polaire qui est égal à la demi-longueur d'onde d'induction. Les moteurs linéaires peuvent avoir des structures différentes de celle décrite ci-dessus. Ceux qui sont utilisés dans la présente invention ne comportent qu'un seul inducteur c'est-à-dire qu'il n'y a pas de circuit magnétique de retour et que les lignes d'induction se ferment dans l'air et dans le métal. Un tel inducteur, dans lequel l'induit est constitué par le métal en cours de solidification dans la gorge d'une roue de coulée, a pour effet de provoquer une poussée sur la partie liquide du métal et donc de le déplacer par rapport à l'endroit qu'il occupait en l'absence de moteur. De préférence, le ou les inducteurs à champ glissant ou moteur(s) sont conçus de manière à s'allonger sensiblement suivant la direction de déplacement de l'ébauche et au-dessus du ruban qui ferme la gorge en épousant la courbure de la roue. Mais, il est nécessaire que ces inducteurs soient placés le plus près possible du ruban afin que les forces générées s'exercent avec efficacité sur le métal. 26 1 4222 On a observé qu'une distance inducteur-ruban comprise entre 5 et 15 mm convenait parfaitement. Le ou les inducteurs sont alimentés en courant alternatif polyphasé et le ou les moteurs linéaires en courant alternatif triphasé. De préférence, la fréquence de ces courants est comprise entre 3 et 1000 Hz et plus précisément entre 16 et 500 Hz. Les moteurs ont un pas polaire compris entre 3 et 12 cm, ce pas pouvant être variable dans l'espace. Le ou les inducteurs peuvent avoir leur poussée dirigée dans le sens de rotation de la roue de sorte que le métal liquide circule dans le même sens près du ruban et dans le sens inverse à proximité du fond de la gorge.Il est évident que ces sens de circulation sont inversés dans le cas o les inducteurs ont leur poussée dirigée dans le sens opposé. Mais il est aussi intéressant d'utiliser le ou les inducteurs de manière que la poussée s'exerce alternativement dans un sens puis dans l'autre. De même, l'invention conduit également à de bons résultats dans le cas o on utilise simultanément plusieurs inducteurs exerçant leur poussée dans un sens opposé à celui de leur(s) voisin(s). Dans une configuration classique d'inducteur à champ glissant ou de moteur linéaire, les encoches et les enroulements ont une direction perpendiculaire à la direction de la poussée, soit, dans le cas de la présente invention, la direction de la coulée. Mais il est également possible de donner aux encoches et aux enroulements (qui restent toujours parallèles entre eux) une direction oblique par rapport à l'axe de la coulée. Il est clair que, dans ce cas également, la distance encoche- ruban doit rester constante, d'o toujours une forme courbe de l'inducteur. Dans cette situation, il apparaît une composante annexe des forces électromagnétiques dirigée perpendiculairement aux parois latérales de la gorge. Cette composante, associée A la composante principale, dans la direction de déplacement de l'ébauche, engendre des mouvements à caractères hélicotdaux dans la gorge. On a toutefois constaté que l'angle aigu entre la direction des encoches et la direction de déplacement de la roue devrait être comprise entre et 90 . 26 1 4222 Comme on l'a dit plus haut, les forces électromagnétiques sont d'autant plus efficaces que les inducteurs sont proches du ruban. Mais, la présence des boîtes à eau servant au refroidissement du ruban, empêche de réaliser cette disposition. C'est pourquoi, on a été obligé de supprimer certaines boites et de faire exercer aux inducteurs en plus de leur fonction électrique, une fonction de refroidissement du ruban. Cela peut être obtenu en utilisant l'eau de refroidissement des inducteurs eux-mêmes ou encore en équipant les encoches des inducteurs avec des pulvérisateurs. De même, comme l'efficacité des forces électromagnétiques est d'autant plus grande que leur point d'application est proche de la busette, il est nécessaire dans certaines machines de coulée de supprimer la poulie de guidage du ruban à l'entrée et de la remplacer par un système de galets de manière à pouvoir placer l'inducteur le plus près possible de l'endroit o le métal liquide entre en contact avec la gorge. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la figure jointe qui représente suivant une coupe perpendiculaire à l'axe de rotation et passant par le milieu de la gorge, une roue sur laquelle a été appliquée l'invention. On voit une roue 1 munie à sa périphérie d'une gorge 2 tournant dans le sens de la flèche 3 autour de l'axe 4. La gorge est fermée sur une fraction de sa longueur par un ruban 5 qui est guidé à l'entrée sur la machine par une poulie 6 et à la sortie par une poulie 7. Du métal liquide 8 est introduit dans la gorge au moyen d'une busette 9 d'alimentation et se solidifie progressivement au contact de la gorge et du ruban suivant un front 10 pour donner l'ébauche solide 11. Le refroidissement du ruban est obtenu par une projection 12 d'eau 13 émanant des boites 14 et 15 et des moteurs linéaires 16 et 17. Ces moteurs sont alimentés en courant triphasé 18 ayant pour effet de créer dans le métal 19 en cours de solidification des forces électromagnétiques s'exerçant suivant le sens de la flèche 20 de sorte que le métal se déplace dans le sens de la rotation de la roue au voisinage du ruban et dans le sens contraire au voisinage du fond de la gorge. Il est évident que suivant la vitesse de rotation, la nature du métal coulé, l'intensité du refroidissement,la zone o le métal est en cours de solidification peut être plus ou moins longue et nécessiter la présence d'un ou de plusieurs moteurs linéaires qui se substituent aux boites à eau. L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple d'application suivant: On a équipé une roue de coulée de 140 cm de diamètre, ayant une gorge de forme trapézoïdale de 5 cm de profondeur et de 5 cm de largeur du côté du ruban en acier inoxydable, de trois moteurs linéaires de 44 cm de long chacun, placés l'un à la suite de l'autre i partir de la busette sur une longueur de 140 cm et i une distance du ruban voisine de 8 mm. Ces moteurs étaient alimentés en courant triphasé de fréquence 50 Hz, sous une tension entre phases de 7,5 volts; ils avaient un pas polaire de 7,2 cm et étaient munis chacun de 36 encoches. Les forces électromagnétiques maximales par unité de volume exercées par chacun des moteurs étaient voisines de 36 000 N/m3. On a coulé sur la roue ainsi équipée, un alliage d'aluminium i usage électrique contenant en poids 0,3 % Fe- 0,6 % Si et 0,7 % Mg. Un examen de l'ébauche a montré qu'elle ne présentait aucune ségrégation, ni porosité et que la taille des grains était de 80 pum en moyenne alors que par affinage i l'AT5B (alliage d'aluminium contenant en poids 5 % de titane et 1 % de bore) cette taille était de 110 >m en moyenne. Cette ébauche a été transformée en fil sans aucun problème, ce qui montre l'intérêt du procédé selon l'invention. Un autre intérêt de l'invention, c'est qu'on peut régler i volonté la taille des grains en jouant sur la valeur des forces électromagnétiques exercées. Le tableau suivant en témoigne. Force électromagnétique par unité de volume 0 5 500 12 000 22 000 36 000 (N/m3) Taille de grains 300 165 150 100 80 (en pm) L'invention trouve son application notamment dans la fabrication de fils machine ou de fils à usage électrique ou encore de fils pour la soudure en alliages d'aluminium, ne contenant pas de borure de titane et possédant une meilleure tréfilabilité et une meilleure ductilité que ceux de l'art antérieur. RVEIIDICATIONS 1. Perfectionnement au procédé de solidification de métal liquide dans une roue de machine de coulée d'ébauches caractérisé en ce que l'on soumet le métal en cours de solidification dans la gorge de la roue à des forces électromagnétiques d'intensité variable et dont la direction d'action principale est parallèle à la direction du déplacement de l'ébauche. 2. Perfectionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on augmente l'intensité en fonction directe de la profondeur de la gorge. 3. Perfectionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que au cours d'une même coulée on inverse périodiquement dans le temps le sens des forces. 4. Perfectionnement selon la revendication 3 caractérisé en ce que la durée d'une période est comprise entre 0,04R/V et 0,4R/V o V est le déplacement de l'ébauche et R le rayon de la roue. 5. Perfectionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que les forces sont simultanément dirigées dans un sens et dans l'autre en différents endroits de la gorge. 6. Perfectionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que les forces maximales par unité de volume ont une valeur comprise entre 5000 et 120.000 N/m3. 7. Perfectionnement selon la revendication 6 caractérisé en ce que les forces maximales par unité de volume ont une valeur comprise entre 18.000 et 80.000 N/m3. 8. Perfectionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on associe au moins un inducteur à champ glissant à la gorge de la roue de coulée dans la zone o le métal est en cours de solidification. 9. Perfectionnement selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'inducteur à champ glissant est un moteur linéaire. 10. Perfectionnement selon les revendications 8 et 9 caractérisé en ce que l'inducteur à champ glissant s'allonge sensiblement suivant la direction de déplacement de l'ébauche au-dessus du ruban qui ferme la gorge en épousant la courbure de la roue. 11. Perfectionnement selon les revendications 8 et 9 caractérisé en ce que l'inducteur est placé à une distance du ruban comprise entre 5 et 15 mm. 12. Perfectionnement selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'inducteur est alimenté en courant alternatif polyphasé. 13. Perfectionnement selon la revendication 9 caractérisé en ce que le moteur linéaire est alimenté en courant alternatif triphasé. 14. Perfectionnement selon les revendications 12 et 13 caractérisé en ce que le courant a une fréquence comprise entre 3 et 1000 Hz. 15. Perfectionnement selon la revendication 14 caractérisé en ce que la fréquence est comprise entre 16 et 500 Hz. 16. Perfectionnement selon la revendication 9 caractérisé en ce que le moteur linéaire a un pas polaire compris entre 3 et 12 cm. 17. Perfectionnement selon la revendication 16 caractérisé en ce que le pas polaire est variable. 18. Perfectionnement selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'eau de refroidissement de l'inducteur est utilisée au refroidissement du ruban. 19. Perfectionnement selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'on équipe les encoches des moteurs avec des pulvérisateurs. 20. Perfectionnement suivant les revendications 8 et 9 caractérisé en 26 1 4222 ce que l'axe des encoches est oblique par rapport à la direction de déplacement de l'ébauche. 21. Perfectionnement suivant la revendication 20 caractérisé en ce que l'angle aigu entre l'axe des encoches et la direction de déplacement de l'ébauche est compris entre 45 et 90 .