Brevet FR2825039A1 — publié le 20021129

petites parois. - LINGOTIERE DE COULEE CONTINUE DES METAUX COMPORTANT AU NIVEAU DE SA TETE DES MOYENS DE GENERATION DE CHAMPS ELECTROMAGNETIOUES. La présente invention concerne la coulée continue des métaux, de l'acier en particulier, pour obtenir des demi-produits de diverses sections, généralement rectangulaire et en particulier de section allongée, tels que des brames. Plus particulièrement, l' invention concerne l 'application de forces électromagnétiques au niveau de la partie haute de la lingotière, là o s'établit le ménisque du métal liquide coulé. Par ménisque, on désigne classiquement la zone de bordure de la surface supérieure du métal coulé, à proximité de la zone de contact avec la paroi métallique refroidie de la lingotière, généralement en cuivre ou en alliage de cuivre. Cette surface supérieure du métal liquide est soit laissée libre, soit plus généralement recouverte d'un laitier de couverture. On considère désormais que pour accroître la productivité des machines de coulée continue, il est devenu nécessaire d'agir simultanément suivant les deux voies que sont, d'une part, l' augmentation de la vitesse de coulée du produit et, d' autre part, l' amélioration de la qualité de peau et de la propreté inclusionnaire interne du produit coulé. Les forces électromagnétiques sont utilisées depuis de nombreuses années en coulée continue de l'acier pour tenter d' augmenter la productivité des machines tout en améliorant la qualité du produit et en augmentant la vitesse de coulée. On évoquera à cet égard la volumineuse littérature parue ces dernières vingt années au sujet du brassage électromagnétique du métal coulé au sein même de la lingotière à l 'aide d'inducteurs placés derrière les parois de cuivre refroidi de la lingotière. Un effet recherché du brassage est une plus rapide évacuation de la surchauffe du métal coulé, rendant possible une augmentation de la vitesse de coulée, de même qu'une amélioration de la propreté inclusionnaire grâce à un lavage du front de solidification par du métal liquide mis en mouvement. On connaît encore une technique, dite du "frein électromagnétique", qui se développe depuis quelques années et qui consiste à soumettre le produit coulé à un champ magnétique continu travereant, donc orChogonal à l'axe de coulée, et agissant à une certaine distance en dessous du niveau du ménisque. Ce champ sépare ainsi l'espace de coulée de la lingotière en deux zones superposées. Il permet de réduire dans la zone inférieure les perturbations hydrodynamiques du métal liquide présentes dans la zone supérieure, notamment celles provenant du jet de coulée. On citera de même que, dans le cas d'une lingotière de coulée continue en charge (c 'est à dire surmontée d'une masselotte ou rehausse en matériau réfractaire à l'intérieur de laquelle le métal coulé est maintenu à l'état liquide) des tentatives de confinement électromagnétique ont été proposées. Un champ magnétique alternatif axial est généré par une bobine à induction entourant le produit coulé à une vingtaine de centimètres sous le ménisque, sensiblement au niveau du plan de joint entre rehausse réfractaire et parois en cuivre refroidi de la lingotière, c'est à dire juste au niveau o commence la solidification du métal au contact des parois refroidies. On vise ainsi à provoquer une striction électromagnétique à cet endroit, éloignant la peau du métal coulé de la paroi de cuivre de la lingotière et à améliorer ainsi notamment la qualité de peau par réduction voire suppression des rides d' oscillations. Mais, l'une des difficultés majeures liées à ce type de technique réside dans l'instabilité géométrique d'un tel - ménisque de confinement, instabilité bien trop aléatoire pour être compatible avec les exigences de la pratique industrielle. Une avancée significative vers une solution à un tel problème est décrite dans la Demande de Brevet français N 99- 14816. Schématiquement, il s'agit, dans une lingotière de coulée continue classique (sans masselotte), de superposer, au niveau du ménisque de métal liquide coulé dans la lingotière de coulée continue, un champ magnétique alternatif axial et un champ magnétique continu transvereal travereant de part en part le produit coulé perpendiculairement à l'axe de coulée. Le champ alternatif axial conserve sa fonction de confinement du ménisque en repoussant le métal liquide des parois de la lingotière, alors que le champ continu orthogonal rajouté a pour fonction d'amortir les perturbations du ménisque, dues notamment à ce champ alternatif, ainsi que de stabiliser ce que l'on a coutume d'appeler la ligne de première solidification, c' est à dire la ligne o le métal coulé arrive au contact du pourtour intérieur de la lingotière. La figure 1 donnée à la fin de ce mémoire montre schématiquement un équipement électromagnétique monté en tête dune lingotière 1 de coulée continue de brames pour générer les champs mentionnés ci-dessus. La lingotière est formée de grandes parois 3 et de petites parois 4 dont les surfaces intérieures, respectivement 2 et 5 définissent l'espace de coulée dans lequel le métal en fusion est introduit par une busette 8 orientée selon la direction axiale de coulée A, direction selon laquelle la lingotière est par ailleurs animé d'un mouvement d' oscillation vertical 6. Le champ alternatif, de fréquence comprise entre 0,1 et 100 kHz environ est généré par un inducteur 10 à conducteur entourant complètement la lingotière et placé au niveau du ménisque 7 du métal liquide. Le champ continu orÉhogonal est quant à lui généré par un électroaimant 20 dont les pôles 21, 22 sont placés le long des grandes faces 3 de la lingotière et se font face de part et d'autre du produit coulé à la hauteur du ménisque également. Les deux pôles sont reliés par une armature magnétique 23 qui entoure la lingotière et dont la partie située vers l' avant a été supprimée sur la figure 1. Bien que simple dans son principe, un tel équipement est relativement complexe au plan technologique et particulièrement difficile à implanter au sein de la partie haute d'une lingotière de coulée continue en principe non prévue pour le recevoir. En effet, non seulement le circuit de refroidissement des parois provoque un encombrement extérieur relativement important tout autour de la lingotière, gênant fortement l' adaptation des inducteurs dans une disposition telle qu'illustrée schématiquement sur la figure, mais de plus, la superposition recherchée des deux champs fait que les pôles de l'électro-aimant se trouvent nécessairement éloignés de l'espace de coulée par l'encombrement propre de l'inducteur générant le champ alternatif. La présente invention a pour but de résoudre les problèmes mentionnés cidessus et vise en particulier à proposer un équipement électromagnétique de tête de lingotière qui permet de simplifier la mise en _uvre du procédé de coulée utilisant les deux dits champs sur des machines de coulée existantes, comportant des lingotières classiques. Elle vise à permettre une adaptation simple et facilement démontable d'un tel équipement sur la lingotière. Elle vise encore à augmenter l'efficacité de l'équipement, en assurant un meilleur rendement électromagnétique dans la génération des champs induits dans le métal coulé. s Avec ces objectifs en vue, l' invention a pour objet une lingotière de coulée continue verticale des métaux comportant des parois latérales métalliques pourvues de moyens de refroidissement et dont les surfaces s intérieures définissent un espace de coulée pour du métal en fusion introduit dans la lingotière, la lingotière comprenant par ailleurs un inducteur entourant une partie supérieure de la dite lingotière pour générer dans l'espace de coulée, au niveau de la surface supérieure du métal coulé, un champ magnétique orienté sensiblement selon la direction de coulée. Selon l' invention, la lingotière est caractérisoe en ce que l'inducteur est intégré dans un module annulaire comportant une paroi en métal de conductibilité thermique voisine de celle des parois latérales de la lingotière, le module annulaire étant rapporté au-dessus des dites parois et lié à celles-ci de manière démontable et définissant une ouverture de même section que l'espace de coulée. L'utilisation d'un modulaire annulaire, ayant une paroi par exemple en cuivre ou alliage de cuivre, rapporté sur les parois latérales de la lingotière permet d' adapter spécifiquement les caractéristiques fonctionnelles et structurelles de ce module aux contraintes posées par l'utilisation des champs électromagnétiques mentionnés dans l' introduction, sans devoir modifier la structure d'ensemble d'une lingotière de type classique. L'intégration de l'inducteur dans le dit module annulaire permet ainsi de rapprocher le plus possible l'inducteur de l'espace de coulée, ce qui permet d' augmenter de manière très significative l'efficacité de l'inducteur. A puissance électrique égale, l'intensité maximale du champ alternatif généré et disponible dans 3s l'espace de coulée peut ainsi être considérablement accrue. De plus, l'intogration de l'inducteur dans le module annulaire permet, par rapport au cas d'un inducteur encerclant la partie supérieure d'une lingotière classique, de réduire très fortement l'encombrement de l'ensemble formé par les parois et le dit inducteur. En effet l'inducteur intégré dans le module annulaire ne crée pas d'encombrement supplémentaire. Il est alors possible de rapprocher au maximum de l'espace de coulée les pôles de l'électroaimant servant à générer le champ continu traneverse, ces pôles étant nocessairement situés au même niveau que l'inducteur comme indiqué précédemment. En conséquence, l'efficacité électromagnétique de l'électroaimant est aussi augmentée puisque ses pôles nord et sud, placés de part et d'autre de la lingotière, sont plus proches l'un de l'autre et que la dispersion du champ continu disponible dans l'espace de coulée est ainsi diminuée. Ces deux effets résultants du rapprochement de l'inducteur de l'espace de coulée sont encore accrus du fait que l'utilisation d'un module annulaire indépendant des parois latérales refroidies de la lingotière permet de l' adapter spécifiquement sans interférer avec les contraintes de réal i sat ion classiques des parois de la lingotière. Ainsi, on peut doter ce module de moyens de refroidissement indépendants de ceux des parois classiques de la lingotière, ces moyens pouvant être conçus particulièrement performants, sans qu'il soit nécessaire de doter la lingotière dans son ensemble d'un tel système plus performant, mais donc plus coûteux. La relativement faible hauteur de ce module, par exemple de l'ordre de 200 à 300 mm permet aussi d'en faciliter la réalisation sans être soumis aux contraintes que poseraient la réalisation d'usinages particuliers ou autres opérations de fabrication particulières, requises pour l' implantation des inducteurs, sur l'ensemble de la lingotière qui forme un ensemble de taille beaucoup plus importante que celle du seul module selon l'invention. Ainsi le module annulaire conforme à l' invention constitue une partie supérieure de la lingotière, rigidement fixée sur les parois latérales de la lingotière, par exemple par des tirants implantés dans les dites parois, traversant verticalement le module annulaire et pressant la face inférieure du dit module annulaire sur la face supérieure des dites parois. Ce module peut ainsi être facilement monté et démonté de la lingotière. Il pourra être adapté sur une lingotière classique existante, ou sur une lingotière de technologie classique, moyennant la seule opération d'y ajouter les moyens de fixation du module. Si nécessaire, la hauteur des parois latérales de la lingotière pourra être diminuée, de manière à conserver la hauteur totale des parois latérales et du module annulaire à une hauteur standard de la machine de coulée. Comme indiqué, ci-dessus, la section du passage intérieur du module annulaire est identique à celle du passage entre les parois latérales, et la superposition de ces deux éléments sera faite de manière à assurer une continuité géométrique entre les surfaces intérieures du module et les surfaces intérieures des parois latérales. Le contact entre la surface inférieure horizontale du module annulaire et la surface supérieure des parois latérales sur lesquelles elle repose devra aussi être ajusté de la manière la plus précise possible. Un tel ajustement précis doit être impérativement réalisé dans la technique de coulée continue en charge, évoquée dans la partie introductive, entre les parois refroidies et la rehausse réfractaire qui les surmontent, du fait que le plan de contact est situé juste au niveau de la formation de la première peau solidifiée, donc pratiquement en contact avec l'acier liquide. Comparativement, dans la lingotière selon l' invention, une tolérance plus large pourra être acceptée, puisque dans ce cas le métal en vis-à-vis du plan de contact entre parois latérales et module annulaire est déjà suffisamment solidifié, de légers défauts éventuels au niveau de ce plan ne nuisant donc pas à l'étanchéité, et étant aussi sans incidence significative sur la poursuite de la formation de la peau solidifiée. Selon une disposition préférentielle, l'inducteur est placé dans une rainure annulaire périphérique réalisée du côté extérieur de la paroi du module annulaire. Cette disposition permet de rapprocher au maximum l'inducteur de la surface intérieure du module au contact de laquelle le métal coulé commence à se solidifier, au niveau du ménisque pré-mentionné, tout en conservant une bonne rigidité du module par les parties plus épaisses subsistant au-dessus et au-dessous de la dite rainure. Cette rigidité sera confortée par une fixation de la paroi thermiquement conductrice du module sur un porte-plaque entourant la dite paroi et l'inducteur, le porte plaque étant dimensionné pour compenser les contraintes thermomécaniques auquel la paroi en cuivre est soumise lors de la coulée, de manière à minimiser les déformations du module malgré sa faible épaisseur, comparativement à des parois latérales de lingotière classique. Préférentiellement encore, l'inducteur est constitué par un bobinage de fil conducteur placé dans la rainure annulaire, et maintenu dans celle-ci par exemple par une résine plastique surmoulée sur le fil de l'inducteur après son bobinage dans la rainure. A titre indicatif, l'épaisseur de paroi entre le fond de la rainure et la surface intérieure du module annulaire est comprise entre 5 et 30 mm, et la profondeur de la rainure est telle que l'inducteur ne dépasse pas de la surface périphérique extérieure de la paroi du module. De manière à assurer un transfert optimal du champ magnétique de l'inducteur au métal coulé en lingotière, des fentes verticales sont réalisces dans la paroi du module annulaire, au moins au niveau de l'inducteur, les fentes déLouchant à la surface intérieure du module et s délimitant des secteurs adjacents mais séparés par les dites fentes. Le nombre de fentes, ou de secteurs, sera déterminé en fonction de la valeur de la fréquence de travail du champ magnétique alternatif, pour favoriser le dit transfert du champ alternatif vers le métal coulé, mais de manière à éviter ou au moins limiter la génération dans l'ensemble de la paroi en cuivre du module de champs et courants induits, non seulement préjudiciable à la pérennité du module, mais aussi à une bonne transmission du champ dans le métal coulé. Préférentiellement, chaque secteur comporte des canaux de refroidissement spécifiques, ce qui permet d'accroître la performance du refroidissement du module annulaire, et d'échapper aux contraintes supplémentaires posées par la présence des dites fentes. La paroi du module annulaire pourrait aussi être formée de plusieurs secteurs juxtaposés l'un à côté de l'autre, et assemblés rigidement entre eux par des moyens de liaisons tels que des tirants horizontaux ou similaires, les interfaces entre deux secteurs adjacents formant aussi des obstacles à la génération de courants induits dans le cuivre du module et assurant ainsi un transfert optimal du champ magnétique généré par l'inducteur au métal liquide contenu dans la lingotière. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un exemple de réalisation d'une lingotière conforme à l' invention. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une lingotière selon l'art antérieur, - la figure 2 est une vue en coupe selon un plan vertical de la partie supérieure d'une paroi latérale d'une lingotière selon l'invention équipée du module annulaire comportant l'inducteur, - la figure 3 est une w e simplifiée du module en coupe selon le plan horizontal défini par la ligne III III de la figure 2, au niveau de l'inducteur, - la figure 4 est une vue du grand côté du module, vu de l'intérieur de la lingotière, selon la flèche F. La lingotière selon l'art antérieur représentée figure 1 a déjà été décrite et on prendra les mêmes repères numériques pour désigner des éléments similaires dans la lingotière selon l' invention illustrée figures 2 à 4. La lingotière comporte une partie inférieure réalisée selon une technologie classique connue. Chaque paroi latérale, telle que la grande face 3, comporte une plaque 31 réalisée en cuivre ou alliage de cuivre et présentant une surface 2 situce du côté de l'espace de coulée, et un porte plaque 32 sur laquelle la plaque 31 est rigidement fixée, de manière connue en soi. Des canaux de refroidissement, non représentés, sont ménagés dans la plaque 31 et le porte-plaque 32 est relié à des moyens de mise en circulation d'un fluide de refroidissement circulant dans les dit canaux, de manière également classique. Conformément à l'invention, les parois latérales 3, 4 de la lingotière sont surmontées d'un module annulaire 50, de forme générale rectangulaire comme on le voit sur la vue de dessus de la figure 3, et de section ayant également une forme générale rectangulaire comme on le voit figure 2. La surface intérieure 51 de chaque face du module 3s 50 est dans le prolongement de la surface intérieure 2 de la paroi latérale de la lingotière. La face inférieure 52 du module est plane et repose sur la face supérieure 33 également plane des parois latérales, selon un plan de joint horizontal. Le maintien du module sur les dites parois latérales est assuré par S des tirants traversant le module, représentés seulement par l'axe 53, et implantés dans les parois latérales 3,4. La paroi annulaire en cuivre 54 du module 50 est fixée rigidement, par exemple par des tirants 55, sur un porte-plaque 56, également en cuivre par exemple, dimensionné de manière à compenser les déformations thermiques de la paroi annulaire en cuivre. L'inducteur 10 est intégré dans le module 50. I1 est constitué d'un fil 11 enroulé dans une rainure 57 réalisée sur tout le pourtour de la paroi en cuivre 54, 1S et y est maintenu d'une part par une résine plastique enrobant le fil conducteur 11 et d'autre part par le porte-plaque 56 qui recouvre la dite rainure. La rainure est située au niveau prévu du ménisque de métal liquide. Des fentes verticales 58 sont réalisées dans la paroi 54, sur une partie seulement de sa hauteur, située au niveau de l'inducteur 10, comme on le voit figure 4. Ces fentes sont par ailleurs réalisses sur seulement une partie de l'épaisseur de la dite paroi 54, à partir de la surface intérieure 51, de sorte que la dite paroi reste 2s en ensemble monobloc malgré les fentes 53 réparties sur tout son pourtour. Les fentes 58 sont par exemple réalisées par découpe au laser, et ont une largeur de l'ordre de 0,1 à 1 mm. Les fentes 58 sont par exemple réalisses jusqu'à atteindre le fond de la rainure 57, comme illustré figure 3. Elles sont réparties sur la largeur de chaque paroi et éventuellement également dans les angles, et délimitent des secteurs adjacents 54a, 54b, 54c, propres à assurer un meilleur transfert du champ magnétique à travers la paroi du module. Une 3s continuité de matière assurant la rigidité de la paroi subsiste dans les parties supérieure 59 et inférieure 60 de la dite paroi, situées respectivement de chaque côté de la rainure 57. Les pôles 21 et 22 de l'électroaimant 20 sont disposés en face et à proximité directe du porte plaque 56, au-dessus des parois 3 de la lingotière, comme on le voit bien à la figure 2 qui permet de bien se rendre compte du rapprochement des dits pôles vers l'espace de coulée, par rapport à la position o ils se trouveraient s'ils étaient placés autour des parois 3, 4 de la lingotière. Les pôles 21, 22 sont préférentiellement réalisés sous forme feuilletée, et reliés par une armature magnétique 23, comme décrit dans la demande de brevet français n 99 14818 précitée, à laquelle on pourra se reporter pour informations complémentaires sur la réalisation de l'électroaimant. On notera encore que l' invention permet de réaliser des coulées de type classique sans utilisation de champs électromagnétiques, ou avec seulement un champ alternatif généré par l'inducteur 10. Du fait que l'inducteur et l'électroaimant sont situés au-dessus des parois de lingotière classique, et donc dans une position o ils peuvent ne pas interférer avec les divers éléments structurels et équipements d'une lingotière classique, il est aisé de prévoir que l'électroaimant soit facilement démontable de la lingotière, tout comme le module 50. Egalement, la paroi annulaire en cuivre 54 pourra, au lieu d'être d'une seule pièce, être réalisoe par l'assemblage de quatre pièces constituant respectivement les quatre parois, cette disposition pouvant par exemple permettre une adaptation plus facile à différents formats de lingotière. L'inducteur peut également servir de capteur de mesure du niveau de la surface supérieure du métal coulé dans la lingotière. Bien que la description qui précède soit faite dans le cadre d'une lingotière de section rectangulaire allongée, telle que pour la coulée de frames, on comprendra que l' invention s'applique aussi à tout autre format de lingotière. REVENDICATIONS 1. Lingotière de coulée continue verticale des métaux comportant des parois latérales métalliques (3, 4) pourvues de moyens de refroidissement et dont les surfaces intérieures (2, 5) définissent un espace de coulée pour du métal en fusion introduit dans la lingotière, la lingotière comprenant par ailleurs un inducteur (10) entourant une partie supérieure de la dite lingotière pour générer dans l'espace de coulée, au niveau de la surface supérieure (7) du métal coulé, un champ magnétique orienté sensiblement selon la direction de coulée, caractérisée en ce que l'inducteur (10) est intégré dans un module annulaire (50) comportant une paroi (54) en métal de conductibilité thermique voisine de celle des parois de la lingotière, le module annulaire étant rapporté au-dessus des dites parois latérales (3, 4) et lié à celles-ci de manière démontable et définissant une ouverture de même section que l'espace de coulée. 2. Lingotière de coulée continue selon la revendication 1, caractérisoe en ce que l'inducteur (10) est placé dans une rainure annulaire (57) réalisse du coté extérieur de la paroi (54) du module annulaire (50). 3. Lingotière de coulée continue selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'inducteur (10) est constitué par un bobinage de fil conducteur (11) placé dans la rainure annulaire (57). 4. Lingotière de coulée continue selon la revendication 2, caractérisce en ce que l'épaisseur de paroi entre le fond de la rainure (57) et la surface intérieure (51) du module annulaire (50) est comprise entre 5 et 30 mm. 5. Lingotière de coulée continue selon la revendication 3, caractérisée en ce que le fil conducteur (11) est maintenu dans la rainure (57) par une résine s plastique. 6. Lingotière de coulée continue selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi (54) du module annulaire est formée de plusieurs secteurs juxUaposés l'un à côté de l'autre. 7. Lingotière de coulée continue selon la revendication 1, caractérisée en ce que des fentes verticales (58) sont réalisoes dans la paroi (54) du module annulaire, les fentes (58) déLouchant à sa surface intérieure (51) et délimitant des secteurs adjacents (54a, 54b, 54c). 8. Lingotière de coulée continue selon la revendication 6 ou 7, caractérisoe en ce que chaque secteur (54a, 54b, 54c) comporte des canaux de refroidissement spécifiques. 9. Lingotière de coulée continue selon la revendication 1, caractérisée en ce que le module annulaire (50) comporte des moyens de refroidissement indépendants de ceux des parois latérales (3, 4) de la lingotière. 10. Lingotière de coulée continue selon la revendication 1, caractérisse en ce que le module annulaire (50) est fixé sur les parois latérales (3, 4) de la lingotière par des tirants (53) implantés dans les dites parois, traversant verticalement le module annulaire et pressant la surface inférieure (52) du dit module annulaire sur la face supérieure (33) des dites