Brevet FR2695846A1 — publié le 19940325

v jé 2 PAROI D'OBTURATION LATERALE D'UNE INSTALLATION DE COULEE CONTINUE DES METAUX ENTRE PAROIS MOBILES ET INSTALLATION COMPORTANT UNE TELLE PAROI La présente invention concerne la coulée continue des métaux, notamment de l'acier, entre parois mobiles refroidies, notamment entre cylindres Elle concerne plus précisément les parois d'obturation latérale de l'espace de coulée défini entre lesdites parois. Dans ces installations, un problème connu de longue date est d'éviter une solidification prématurée du métal coulé au contact des parois d'obturation latérale, et de limiter le frottement dudit métal sur lesdites parois qui sont fixes. Pour tenter de résoudre ce problème, il a déjà été proposé de chauffer soit les parois latérales, soit le métal se trouvant à proximité de celles-ci, de manière à empêcher, ou au moins retarder sa solidification. Ainsi il a déjà été proposé, dans le document JP 62 77156, de chauffer le métal par induction, au moyen d'inducteurs en U disposés derrière des parois latérales en matériau réfractaire et générant dans le métal coulé des courants de Foucault Les contraintes d'encombrement et les limitations technologiques actuelles empêchent la mise en oeuvre pratique de telles solutions. Il a aussi été proposé dans le document FR 2670413, de chauffer de manière similaire le métal, mais en utilisant des parois latérales métalliques refroidies suffisamment minces pour que le champ magnétique induit agisse directement sur le métal coulé Dès lors que l'épaisseur des parois atteint ou dépasse la profondeur de pénétration du champ magnétique, ce mode de chauffage n'est plus efficace. L'invention a pour buts de résoudre les problèmes évoqués ci-dessus, de permettre un réchauffage inductif efficace du métal à proximité des parois latérales, de limiter le frottement, et donc l'usure, sur lesdites parois, et d'améliorer l'étanchéité entre les parois mobiles et lesdites parois latérales. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet une paroi d'obturation latérale d'une installation de coulée continue entre parois mobiles comprenant deux parois mobiles refroidies définissant entre elles un espace de coulée limité latéralement par deux desdites parois d'obturation latérale qui jouxtent les bords desdites parois mobiles, caractérisé en ce que ladite paroi d'obturation latérale comprend une plaque refroidie en matériau électriquement conducteur, orientée selon un plan vertical perpendiculaire aux parois mobiles, et un inducteur alimenté par un courant variable, notamment alternatif, et constitué d'un conducteur enroulé en spirale parallèle à la plaque et à proximité directe de celle-ci, et telle que au moins un premier secteur angulaire de la spirale soit situé face à une première zone coplanaire avec la plaque et isolée électriquement d'une deuxième zone incluse dans la plaque et qui se trouve face à un deuxième secteur de la spirale. L'invention concerne aussi une installation de coulée continue entre cylindres, caractérisée en ce qu'elle comporte deux parois telles que ci-dessus, lesdits cylindres constituant lesdites parois mobiles. L'idée inventive à la base de la présente invention a été d'utiliser les principes de base de la technique dite de "creuset froid" connue depuis de nombreuses années pour le chauffage et la fusion par induction de certains métaux soit à point de fusion très élevé, soit dont on veut éviter le contact avec un creuset réfractaire pour des raisons de pureté du métal fondu Un dispositif à "creuset froid" est composé d'un cylindre, couramment en cuivre, refroidi par circulation d'eau et segmenté radialement, entouré d'un solénoïde qui lui est coaxial et alimenté par un courant à haute fréquence Par l'effet du champ magnétique induit et des courants de Foucault qui se développent dans le cylindre et le métal à fondre, d'une part le métal est chauffé et fondu, et d'autre part les forces électromagnétiques créées tendent à éloigner le métal fondu de la paroi du cylindre. Cette technique du creuset froid a déjà fait l'objet de nombreux développements qui respectent la technique de base du cylindre segmenté entouré par un solénoïde générateur d'un champ magnétique orienté selon l'axe du cylindre. Comme on le comprendra aisément une telle technique n'est pas applicable telle quelle dans une installation de coulée entre parois mobiles, du fait de la configuration de ce type d'installation Aussi les inventeurs ont-ils dû imaginer une structure entièrement originale pour trouver une solution au problème du chauffage du métal coulé à proximité des parois latérales et de la diminution du frottement du métal sur ces parois. Grâce à l'invention, le métal est chauffé comme dans la technique du creuset froid par les courants de Foucault qui y sont développés par l'inducteur via la plaque en matériau électriquement conducteur, et les forces électromagnétiques résultant de l'interaction de ces courants de Foucault avec le champ magnétique induit tendent à éloigner le métal coulé de ladite plaque, ce qui réduit donc le frottement Le principe de l'invention sera plus clairement explicité dans la description faite plus loin d'un exemple de réalisation. Selon des dispositions particulières de l'invention: la plaque est formée d'un seul élément et deux desdits premiers secteurs angulaires de la spirale, diamétralement opposés, sont situés face à des zones coplanaires avec la plaque et situées hors dudit élément; la plaque est formée de plusieurs éléments juxtaposés isolés électriquement entre eux; les éléments sont allongés selon une direction horizontale et juxtaposés verticalement; les éléments sont allongés selon une direction verticale et juxtaposés horizontalement; tous les éléments sont réalisés en un même matériau électriquement conducteur; au moins un élément est réalisé en un matériau ayant des caractéristiques électromagnétiques différentes de celles des matériaux des autres éléments; chaque élément est refroidi par circulation interne d'un fluide refroidissant. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite de plusieurs variantes de l'invention, dans le cas d'une installation de coulée continue entre cylindres de produits minces en acier. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue schématique en perspective de l'installation de coulée entre cylindres; la figure 2 est une vue frontale selon la flèche FI de la figure 1 montrant la disposition générale d'une paroi d'obturation latérale conforme à l'invention; la figure 3 est une représentation didactique en coupe selon la ligne III-III de la figure 2 montrant les courants, champ magnétique et forces agissant dans l'installation selon l'invention; 1 S la figure 4 est une représentation en vue de dessus de la figure 3 la figure 5 est une représentation similaire dans le cas d'une plaque d'obturation en plusieurs éléments verticaux; la figure 6 est une vue en perspective d'une première variante de la paroi d'obturation latérale selon l'invention; la figure 7 est une vue en coupe verticale de la paroi, o l'inducteur n'a pas été représenté; la figure 8 est une vue frontale d'une deuxième variante de la paroi d'obturation latérale; la figure 9 est une vue simplifiée d'une troisième variante, et la figure 10 est une vue schématique de dessus d'une quatrième variante. L'installation de coulée d'acier représentée à la figure 1 comporte deux parois mobiles ici constituées par les deux cylindres 1 et 2 d'axes parallèles et horizontaux De manière classique et connue en soi, les cylindres 1, 2 sont refroidis intérieurement et entraînés en rotation en sens contraire Deux parois d'obturation latérales 3 et 4 sont disposés contre les faces frontales des cylindres, et donc orientées selon des plans verticaux, tels que le plan P, perpendiculaire aux parois cylindriques des cylindres Ces parois d'obturation latérale définissent avec les parois des cylindres, dans la zone située au-dessus du niveau de leurs axes, un espace de coulée 5. Lors de la coulée, de l'acier en fusion 6 est versé (selon la flèche F 2) dans l'espace de coulée 5, o il se solidifie progressivement au contact des parois refroidies des cylindres en formant des peaux d'acier solidifié Par la rotation des cylindres, les peaux solidifiées sont entraînées vers le bas et se rejoignent au niveau du col entre les cylindres pour former le produit mince 7 extrait en continu. On a représenté à la figure 2 la paroi d'obturation latérale 3 qui comporte une plaque 31 en matériau électriquement conducteur, tel que du cuivre ou un alliage de cuivre, de forme trapézoïdale, dont les bords latéraux jouxtent les extrémités frontales des cylindres Un inducteur formé d'un conducteur 11 enroulé en spirale 12 plane est placé parallèlement à la plaque 31, et à proximité directe de celle-ci L'inducteur 10 est alimenté par une source 13 de courant alternatif, par exemple de 50 Hz à 500 K Hz, et de forte intensité Les inducteurs conformés de cette manière sont couramment appelés de type "Pancake". Dans la disposition de la figure 2, la spirale 12 a une forme trapézoïdale, et est disposé par rapport à la plaque 31 de manière que les parties horizontales 14 du conducteur soient face à la plaque 31, alors que les parties latérales obliques 15, 16 débordent latéralement de ladite plaque En d'autres termes, on peut assimiler la spirale de forme trapézoïdale de l'inducteur à une spirale de forme circulaire, et lesdites parties horizontales 14, et latérales obliques 15, 16 à des secteurs angulaires de cette spirale. Alors, les secteurs angulaires 15, 16, diamétralement opposés, sont situés face à des zones 17, 18 (encadrées sur la figure 2 par des traits mixtes, et qui n'ont pas ici de réalité physique) coplanaires avec la plaque 31, et situées hors de ladite plaque, et donc implicitement électriquement isolées de celle-ci Par ailleurs les secteurs angulaires correspondant aux parties horizontales 14 du conducteur, se trouvent face à la zone 19 définie ici par la surface de la plaque 31. Dans une autre disposition schématisée à la figure 9, la plaque 31 est formée de deux éléments 32 ', 33 ' juxtaposés, et le centre de la spirale 12 ' est situé au niveau de l'interface entre les deux éléments 32 ', 33 ' Un premier secteur angulaire de la spirale, constitué par sa moitié supérieure est situé face à une première zone constituée ici de la surface de l'élément 32 ', lequel est isolé électriquement d'une deuxième zone, constituée ici de la surface de l'élément 33 ', laquelle se trouve face au deuxième secteur angulaire de la spirale constitué par sa moitié supérieure. Comme on va mieux le comprendre par la suite, l'intérêt de la disposition de l'inducteur selon l'invention est d'éviter un bouclage des courants de Foucault, générés dans la plaque 31 lorsque l'inducteur est alimenté, dans un plan parallèle à ceux de la plaque et de l'inducteur. En regard avec les figures 3 à 5 on va maintenant décrire le principe de fonctionnement de la paroi d'obturation conforme à l'invention. On a symbolisé sur ces schémas les courants, champs et forces qui circulent ou s'exercent dans le plan de la feuille par des flèches, et par des cercles lorsqu'ils sont perpendiculaires au plan de la feuille Les champs ou courants dirigés de l'avant vers l'arrière de la feuille sont représentés par un cercle contenant une croix, et ceux dirigés inversement par un cercle contenant un point. Le schéma de la figure 3 montre ces courants, champs et forces dans une section verticale selon la ligne III-III de la figure 2; le schéma de la figure 4 les montre dans une section horizontale au niveau de la ligne IV-IV de la figure 3, dans le cas d'une plaque 31 monobloc telle que celle de la figure 2; le schéma de la figure 5 est similaire à celui de la figure 4, mais dans le cas o la plaque 31 est formée de plusieurs éléments allongés verticalement et accolés, et isolés électriquement entre eux. De manière simplifiée, on peut dire que le courant Il circulant dans le conducteur il génère un champ magnétique Bl dont la profondeur de pénétration dans la plaque 31 est faible Ce champ Bl crée dans l'épaisseur de peau de la plaque des courants induits I 2 qui bouclent horizontalement. Les courants I 2 génèrent un champ B 2 qui pénètre dans l'épaisseur de peau de l'acier 6 contenu dans l'espace de coulée et y génère à son tour des courants induits I 3 Ces courants d'une part provoquent un échauffement de l'acier et empêchent ainsi une solidification prématurée de l'acier à proximité de la plaque 31, et d'autre part, par interaction avec le champ B 2, créent des forces FR dirigées vers le milieu de l'espace de coulée, qui tendent à éloigner de ladite plaque la pellicule de métal solidifiée 6 ', réduisant ainsi le frottement du métal coulé sur cette plaque Ainsi les deux objectifs de l'invention, qui sont de limiter la solidification de l'acier à proximité de la paroi latérale d'obturation et de limiter le frottement contre cette paroi, sont atteints. De plus, dans la zone de contact entre la plaque 31 et les bords 1 ', 2 ' des cylindres, les courants I 2 génèrent, de manière similaire à ce qui a été exposé ci-dessus, des courants induits I 4, générant à leur tour dans l'acier situé dans les angles de l'espace de coulée des courants I 3 V, qui circulent selon les flèches indiquées sur la figure 4, lesquels tendent également à repousser l'acier coulé de la paroi des cylindres La composition des forces exercées conduit à une résultante FR' qui tend à repousser l'acier du joint entre les cylindres 1, 2 et la paroi latérale, et donc améliore l'étanchéité en évitant les infiltrations de métal liquide dans ce joint. Les explications données ci-dessus dans le cas d'une plaque 31 formée d'un seul élément s'appliquent également au cas représenté à la figure 5 o la plaque est formée de trois35 éléments 31 ', 31 ", 31 "', la seule différence étant que les courants I 2 bouclent dans chaque élément au lieu de boucler dans la section entière de la plaque. On comprendra aisément aussi que les explications données ci-dessus, en considération des champs, courants et forces dans la moitié supérieure du dispositif s'appliquent à la moitié inférieure avec une simple inversion du sens des courants et des champs. On comprendra aussi que les courants et forces induits dans l'acier coulé ne peuvent exister que grâce au fait que les courants induits dans la plaque 31 ou dans chaque élément 31 ', 31 ", 31 "' de plaque circulent selon un plan perpendiculaire au plan général de la plaque C'est pourquoi aucune spire de l'inducteur ne se trouve entièrement face à un même élément de plaque En effet, si tel était le cas, les courants induits boucleraient dans la zone superficielle de cet élément située face à l'inducteur, parallèlement au plan de la plaque et d'une part n'atteindraient pas la zone superficielle de l'élément située du côté de l'acier coulé, et d'autre part créeraient uniquement un échauffement dudit élément. Il convient aussi de noter que les courants induits I 2, I 3, I 3 ',I 4 circulent à proximité des surfaces des différents matériaux parce que la fréquence du courant Il d'inducteur est telle que la profondeur de pénétration des champs induits est faible La fréquence devra donc être suffisamment élevée, en fonction du matériau constitutif de la plaque 31 pour ne pas avoir une profondeur de pénétration du champ Bl dans la plaque 31 trop forte Par ailleurs si la profondeur de pénétration du champ B 2 dans l'acier coulé est faible, les forces de répulsion FR sont fortes, mais l'effet de brassage de l'acier liquide peut être faible voire quasi nul. Par exemple pour une plaque 31, ou des éléments de plaque, en cuivre, le courant inducteur pourra être de 50 Hz à 500 k Hz, ce qui correspond à des profondeurs de pénétration dans le cuivre respectivement de 9,2 mm à 0,09 mm. La fréquence sera donc choisie principalement en fonction de l'effet recherché dans l'acier, compte tenu que l'épaisseur totale de la plaque en cuivre est largement supérieure à la profondeur de pénétration indiquée ci-dessus. Il est encore précisé que, dans le cas d'une plaque constituée de plusieurs éléments, ces éléments peuvent être réalisés en des matériaux différents présentant des caractéristiques électro- magnétiques différentes Cette disposition particulière permet d'adapter l'intensité des courants et des forces en fonction de la localisation des éléments dans la plaque par rapport à l'espace de coulée Par exemple un choix judicieux, dans la plaque représentée à la figure 5, du matériau des éléments 31 ', 31 "' qui se trouvent proches des parois des cylindres, permet, en utilisant un seul inducteur parcouru par le courant Il, de créer des forces de répulsion plus importantes, ou un réchauffage préférentiel, dans les coins de l'espace de coulée que vers le milieu de la paroi latérale o agit l'élément 31 ", réalisé en un autre matériau, le choix des matériaux étant basé sur la valeur de leurs profondeurs de pénétration respectives, et leurs conductibilités électriques. On a représenté à la figure 6 une paroi latérale selon l'invention, dans la variante o la plaque 31 est formée de trois éléments 32, 33, 34 allongés selon une direction verticale et juxtaposés horizontalement, un film mince 35 en matériau électriquement isolant étant placé entre deux éléments adjacents Chaque élément comporte un conduit central longitudinal 36 (seul celui de l'élément 32 a été représenté sur la figure pour ne pas la surcharger) Les trois conduits 36 débouchent vers le bas dans un canal de répartition 37 (figure 7) relié par une tuyauterie 38 à un circuit d'alimentation, non représenté, en un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau De même les conduites 36 débouchent vers le haut dans un collecteur 39 relié à une tuyauterie de sortie 40. Le canal de répartition 37 est aménagé dans un boîtier inférieur 41 et le collecteur est aménagé dans un boîtier supérieur 42, ces deux boîtiers servant à maintenir l'assemblage des éléments 32, 33, 34, ainsi qu'au positionnement de l'ensemble de la plaque par rapport aux cylindres 1, 2, et à la fixation sur l'installation Ces A. boîtiers 41, 42 sont isolés électriquement des éléments 32, 33, 34 de la plaque. L'inducteur 10 est un inducteur plat de type "Pancake", maintenu à faible distance de la plaque, de manière à avoir la plus forte proportion possible de champ magnétique induit dans ladite plaque, tout en étant isolé électriquement de cette dernière Les parties latérales de l'inducteur débordent de la plaque 31 Ces parties latérales pourraient également, notamment si l'on augmentait le nombre d'éléments juxtaposés, être situées face aux éléments situés sur les bords de la plaque, auquel cas les courants induits circuleraient, dans la zone de ces parois latérales, non plus horizontalement comme dans les autres éléments, mais verticalement. La figure 8 montre une autre variante de réalisation dans laquelle la plaque 31 est constituée de quatre éléments horizontaux 45 juxtaposés verticalement, deux boîtiers latéraux 46, 47 assurant la même fonction que les boîtiers 41, 42 de la variante précédente L'inducteur déborde ici de la plaque vers le haut et vers le bas On comprendra aisément que dans cette variante les courants induits circulent dans des plans sensiblement verticaux, les courants et forces induites dans le métal coulé se déduisent des explications précédentes par simple transposition. D'autres variantes d'exécution sont réalisables tout en restant dans le champ de la présente invention Par exemple le nombre d'éléments constitutifs de la plaque 31 peut être modifié La plaque 31 peut ne constituer qu'une partie de la paroi latérale d'obturation, par exemple en étant placée au niveau du col entre les parois mobiles et surmontée d'une autre plaque en matériau réfractaire Ou encore, comme représenté schématiquement à la figure 10, la plaque ainsi que l'inducteur peuvent être légèrement concaves dans leur partie en contact avec le métal liquide 6, ce qui permet de concentrer la puissance injectée dans ledit métal. A Il REVENDICATIONS 1) Paroi d'obturation latérale d'une installation de coulée continue entre parois mobiles comprenant deux parois ( 1, 2) mobiles refroidies définissant entre elles un espace de coulée ( 5) limité latéralement par deux desdites parois d'obturation latérale ( 3) qui jouxtent les bords desdites parois mobiles, caractérisé en ce que ladite paroi d'obturation latérale comprend une plaque ( 31) refroidie en matériau électriquement conducteur, orientée selon un plan vertical perpendiculaire aux parois mobiles, et un inducteur ( 10) alimenté par un courant variable et constitué d'un conducteur enroulé en spirale parallèle à la plaque et à proximité directe de celle-ci, et telle que au moins un premier secteur angulaire ( 15, 16) de la spirale soit situé face à une première zone ( 17, 18) coplanaire avec la plaque et isolée électriquement d'une deuxième zone ( 19) incluse dans la plaque et qui se trouve face à un deuxième secteur ( 14) de la spirale. 2) Paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce que la plaque ( 31) est formée d'un seul élément et deux ( 15, 16) desdits premiers secteurs angulaires de la spirale, diamétralement opposés, sont situés face à des zones coplanaires avec la plaque et situées hors dudit élément. 3) Paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce que la plaque est formée de plusieurs éléments ( 32, 33, 34) juxtaposés isolés électriquement entre eux. 4) Paroi selon la revendication 3, caractérisée en ce que les éléments sont allongés selon une direction horizontale et juxtaposés verticalement. ) Paroi selon la revendication 3, caractérisée en ce que les éléments sont allongés selon une direction verticale et juxtaposés horizontalement. 6) Paroi selon la revendication 3, caractérisée en ce que tous les éléments sont réalisés en un même matériau électriquement conducteur. 7) Paroi selon la revendication 3, caractérisée en ce que au moins un élément est réalisé en un matériau ayant des caractéristiques électromagnétiques différentes de celles matériaux des autres éléments; 8) Paroi selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que chaque élément est refroidi par circulation interne d'un fluide refroidissant. 9) Paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce que la plaque ( 31) est en cuivre ou alliage de cuivre. ) Paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce que la fréquence du courant d'inducteur est de 50 Hz à 500 K Hz. 11) Paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce que la plaque 31 et l'inducteur 10 sont concaves. 12) Installation de coulée continue entre cylindres, caractérisée en ce qu'elle comporte deux parois selon l'une des revendications précédentes, lesdits cylindres constituant lesdites parois mobiles.