CA1208878A - Procede et installation de brassage electromagnetique de brames metalliques, notamment d'acier, coulees en continu - Google Patents

Abstract

Procédé de brassage électromagnétique de brames métalliques, notamment d'acier, coulées en continu. Selon l'invention, on soumet le métal liquide en aval de la lingotière à des mouvements de brassage qui s'étendent entre 3 m environ sous la surface libre du métal et 2 m environ du fond du puits de solidification à l'aide d'une pluralité de champs magnétiques mobiles glissants selon la largeur de la brame et créés par des inducteurs électromagnétiques, étagés entre 5 m environ de la surface libre et 4 m environ du fond en étant séparées les uns des autres d'une distance de l'ordre de 2 m délivrant chacun un champ magnétique glissant dans un sens opposé de ceux délivrés par ses plus proches voisins de part et d'autre.

Description

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La présente invention concerne le brassage elec-tromagnetique des brames metalliques, notammen-t d'acler, coulees en continu. Elle se rapporte plus précisement aux operations de brassage electromagnetique du metal en fusion dans la zone du refroidissement secondaire d'une machine de coulee continue de brames.
Les operations de brassage electromagnetique, dont il est question ici, consistent, comme il est connu, à
soumettre le produit coule à un ou plusieurs champs magneti-ques mobiles, glissant dans une direction determinee, etdont l'action sur le metal liquide se manifeste alors par un entrainement de ce dernier identique, en sens et direc-tion, au deplacement du champ magnetique.
Dans le cas de produits de section allongee, telle que les brames, coulees en continu, il est connu d'entraîner le metal liquide de la fa~on indiquee ci-dessus dans un mouvement de translation horizontale, parallèle aux grandes faces du produit.
Le champ magnetique mobile est generalement cree par un inducteur statique polyphase dispose de preference au voisinage immediat du produit coule et pouvant presen-ter differentes conceptions: par exemple un inducteur monobloc, similaire à un stator de moteur lineaire à
induction, place soit derrière les rouleaux de maintien et de guidage de la brame en cours de coulee, soit en subs--titution d'un ou plusieurs de ces rouleaux (brevet fran~ais n 2 068 308, brevet allemand n 2 401 1~5), soit encore dans des espaces rendus disponibles entre deux rouleaux consecutifs (brevet fran~ais n 2 187 468). Il a ete egale-ment propose un inducteur de structure cylindrique in-tro-duit à l'intérieur même d'un ou plusieurs rouleaux, rendus ~' ~2~88~8 tubulaires à cette fin (brevet anglais n 1 405 312).
' L'intérêt du brassage contrôlé du mé-tal liquide ., en cours de coulée, intérêt que l'on connaît maintenant de longue date, réside dans l'amélioration systématique de la qualité interne du produit brassé par rapport au produit . non brassé. Cette qualité améliorée, qui se caractérise en ~ particulier par une réducti.on de la porosité centrale, - ainsi que par une diminution sensible des macro-ségrégations : axiales, resulte de l'influence favorable du brassage sur la structure de solidification. Cette dernière en effet . reflète, dans le cas de produits brassés, une interruption precoce de la croissance cristalline périphérique de type "basaltique" (croissance dendritique) au profit de la forma-tion et du développement d'une zone centrale ~ structure de solidification non orientée, dite de type "équiaxe", corré-lativement plus étendue.
Cependant, bien que la relation de cause à effet entre une large zone equiaxe et une faible ségrégation axiale soit désormais indiscutable, les nombreuses obser-: 20 vations mé-tallographiques effectuées par les inventeurs montrent que la ségrégation axiale peut quand même demeu-` rer relativement importante malgre une zone équiaxe bien développée.
. La question qui se pose alors, et à laquelle la présente invention a pour but de répondre, consiste à
savoir s'il existe un type de brassage optimal permettant d'obtenir à coup sûr, conjointement avec une zone équiaxe centrale tres large, un niveau de macro-ségrégation axiale le plus faible possible, et en tout cas sensiblement plus réduit que celui obtenu par la -technique habituelle de brassage électromagnétique.

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~2~ 7~
Un autre but est de parvenir au résultat précité
avec un minimum d'inducteurs de brassage.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de brassage électromagnétique des brames métalliques, notamment d'acier, coulées en continu, selon ' lequel, dans la partie du puits liquide située en aval de la lingotiere dans le sens d'extraction de la brame, on ` soumet cette derniere a au moins un champ magnétique mobile, glissant selon la largeur de la brame et créant un mouvement d'entrainement du métal liquide, procédé
caractérisé en ce qu'on fait agir une pluralité de champs magnétiques glissant de açon a brasser le métal liquide sur la portion de la hauteur métallurgique comprise entre 3 et 4 mètres environ sous la surface libre du métal en . I lingotière et 3 mètres environ du fond du puits de solidi-- fication, en ce que lesdits champs magnétiques sont produits par des inducteurs électromagnétiques qui sont décalés entre eux le long de la hauteur métallurgique d'une distance de séparation de 1 à 2 metres environ et en cè que le champ magnétique créé par un inducteur quelconque glisse dans un ~- sens opposé de celui des champs magnétiques créés par les . inducteurs décalés les plus proches voisins de part et d'autre.
On rappelle que le puits de solidification dont , la profondeur détermine la "hauteur metallurgique", se définit comme la distance comprise entre le niveau de la surface libre du métal en lingotiere et le niveau en aval de celle-ci dans le sens d'extraction du produit, o~ toute la section du produit coulé est solidifiée (fermeture du puits de solidification).
Conformément a une mise en oeuvre particuliere, ~2C~8~17 !3 utilisant un minimum d'inducteurs électromagnétiques, on disposé ces derniers selon une configuration en quinconce de part et d'autre des deux grandes faces de la brame.
Conformément à une variante préférée, on place l'inducteur électromagnétique le plus proche de la lingo-- ~, tière sur l'extrados de la brame c'est-à-dire en regard - ~ ~ de la grande face placée à :L'opposé du centre de courbure de la machine de coulée continue.
Comme on l'aura sans doute déjà compris, l'inven-tion consiste, dans ses traits fondamentaux, à répartirl'énergie électromagnétique de brassage transmise au métal coulé sur la majeure partie de la hauteur métallurgique de manlère à créer des mouvements de convection qui s'établis-sent dans la quasi-intégralité du puits de solidification.
Ceci étant, il n'est pas nécessaire de brasser sur toute la hauteur du puits liquide pour les raisons ' suivantes:
. d'une part, il est inutile de faire agir le champ magnétique au voisinage de l'extrémité de fermeture du puits de solidification, car en cet endroit le métal est déjà suffisamment pris en masse pour que l'on ne puisse y - créer des mouvements de convection et ceci meme avec des puissances électromagnétiques très importantes, . d'un autre côté, il n'est pas souhaitable de brasser trop haut sur la hauteur métallurgique, c'est-à-dire au voisinage immédiat de la lingotière, car le jet d'alimentation du métal liquide en lingotière crée naturel-lement des mouvements de convection favorables qui s'éten-dent dans le puits liquide jusqu'à une distance égale à

2 ou 3 fois environ la hauteur de la lingo-tière et qu'il n'es-t pas oppor-tun de perturber. -~L

Dans ces conditions, on comprend que la portionde la hauteur metallurgique devant être soumise à un brassage electromagnetique conformement à l'invention, se situe entre une limite superieure, à environ 3 à 4 mètres sous la surface libre du metal en lingotière, et une limite inferieure que l'on peut sit:uer environ a 2 ou 3 mètres du point de fermeture du puits de solidification.
Pour determiner maintenant la localisation des inducteurs assurant un tel brassage, il faut tenir compte, en outre, du fait que l'act:ion directe d'entrainement du champ magnetique à un niveau quelconque de la hauteur métallurgique induit des mouvements de recirculation du métal liquide (entrainement indirect) assurant le bouclage des lignes de courant, et qui s'epanouissent de part et d'autre de la zone d'entrainement direct jusqu'à une dis-tance d'environ 2 ~ 3 mètres de cette dernière.
Compte tenu de ces precisions, on localise l'ac-tion du champ magnétique le plus voisin de la lingotière à environ 5 à 7 mètres sous la surface libre du métal liquide, et on localise l'action~du dernier champ magnéti-que au voisinage du fond du puits de solidification, à une distance d'environ 4 à 5 mètres au-dessus dudit fond.
Bien entendu, la distance moyenne séparant une zone d'entrainement direct d'une zone de recirculation dépend au premier chef de la force electromagnetique à
laquelle est soumise le metal liquide, c'est-~-dire essen-tiellement de l'intensite du champ magnetique agissant sur le metal, puisque la vitesse de glissement du champ (i.e.
frequence du courant electrique dans l'inducteur) est nécessairement faible, autour de 1 à 5 Hz environ, pour limiter l'affaiblissement du champ entre la surface active ~Z~8~7~
- de l'inducteur et le métal liquide.
On peut dire toutefois que, compte tenu de la technologie dont on dispose actuellement, les inducteurs électromagnétiques compatibles avec une installation de coulée continue de brames dans des conditions d'exploita-tion normale permettent de délivrer des champs magnétiques suffisamment puissants pour que l'écart entre la zone d'entrainement direct du metal liquide et la zone de recir-culation se situe autour de 2 mètres environ, voire au-delà.
Il peut être utile de preciser que l'on parvient . aisement à detecter les niveaux sur la hauteur metallurgique ; où se situent les zones de recirculation. Celles-ci apparais-sent en effet à l'observation metallographique, sur coupe en section droite de la barre solidifiee, sous forme de cou-ronnes plus claires que le reste de la matrice métallique (appelee egalement zones de segregation negative ou "zone : blanche"), et dont la clarté est sensiblement plus estompée que celle des couronnes de ségrégation negative principale, qui se forment, elles, au niveau de l'entrainement direct du champ magnetique glissant. La profondeur à laquelle sont localisées ces différentes zones de ségrégation négative dans le produi-t par rapport à sa surface dépend des condi-tions locales d'exploitation de la machine de coulée et notamment de la surchauffe initiale du métal alimen-tant la lingotière, de la vitesse d'extraction de la brame et de la vitesse de solidification du produit c'est-à-dire du réglage du système de refroidissement. La connaissance de ces différents paramètres permet donc de relier facilement la profondeur de localisation des zones de ségrégation negative aux niveaux sur la hauteur metallurgique où
interviennent les mouvements de circulation directs et de recirculation du métal liquide sous l'action des champs magnétiques.
Il doit etre souligné que ces memes paramètres permettent d'approcher assez finement, dans chaque cas, - ~ les niveaux limites supérieur et inférieur définissant la portion de la hauteur méta]lurgique soumise au brassage r ' ' conformément à l'invention. A titre indicatif, on pourra ~; noter qu'en ce qui concerne par exemple la vitesse d'ex-~ traction des brames, celle-ci peut aller d'environ .. ~
0,7 mètre/minute à plus de 3 mètres/minute, c'est-à-dire ; varier dans un rapport de 1 à 5 entre des installations ~- différentes, ou coulant des nuances d'acier différentes.
~- On va maintenant décrire, à titre illustratif, une configuration caractéristique du procédé selon l'in-vention utilisant un nombre mlnlmll~ d'inducteurs de bras-sage et adaptée à la coulée continue de brames à faible vitesse d'extraction (0,7 mètre/minute) et dont le puits liquide présente une hauteur métallurgique réduite à envi-ron 12 mètres.
La description de cet exemple sera faite en réfé-rence aux planches de figures annexées sur lesquelles:
. la figure 1 montre une brame coulée en continu selon une vue en coupe longitudinale médiane parallèle aux grandes faces de la brame;
` . la flgure 2 est une vue analogue a celle de la figure 1 mais selon une coupe parallèle aux petites faces latérales de la brame;
. la figure 3 est une empreinte Baumann de la partie centrale d'une section droite de la brame solidifiée.
On a schématisé sur les figures 1 et 2, une lingotière 1, une busette 2 alimentant la lingotiere en ~2~)887~
metal liquide, la brame 3 en cours de coulee et présentant une couche extérieure solidifiee 4 et un coeur a l'etat liquide 5. La ligne tracee en 6 définit la fermeture du puits de solidification par jonction des fronts de solidi-fication croissants sur les grandes faces du produit. La hauteur metallurgique "H", c'est-a-dire la distance sepa-rant la surface du metal liquide 7 en lingotière de la fermeture 6 du puits de solidification, peut être lue direc-tement en mètres sur la figure 1 grace aux repères places - , ~
/ 10 sur la petite face de gauche de la brame. Sur les figures, - ~ les regions d'action directe des champs magnetiques glis-- sants ont été représentées par les deux zones hachurées 9 . '''- ', et 10. Ces zones, comme on l'a deja dit, definissent les ` regions d'entraînement direct du metal liquide dont les lignes de courant ont ete représentées par les boucles 13 en traits épais sur la figure 1. Les sens de glissement des champs magnétiques agissant selon la largeur de la brame sont indiqués par des flèches sur la gauche des zones d'entrainement direct 9 et 10 de la figure 1 et par les symboles conventionnels sur la figure 2.
: La mise en oeuvre de l'invention ne pose aucun problème particulier et on pourra avantageusement utiliser, ainsi que le montre tres schématiquement la figure 2, des inducteurs électromagnétiques a champ glissant de structure , cylindrique, placés à l'intérieur des rouleaux de soutien et de guidage de la brame coulée rendus tubulaires à cette fin. L'ensemble ainsi constitué par le rouleau et llinduc-~ teur interne est un ensemble fonctionnel, livre prêt a ; l'emploi, et habituellement designé dans le domaine techni-que considéré par l'expression "rouleau-brasseur". Ces rouleaux--brasseurs, ne faisant pas partie de l'objet propre ~2(~t81~17l~
de l'invention, ne seront pas ici decri-ts en detail. Si on le souhaite, on pourra trouver une description detaillee de leur conception et de leur technologie en sç reportan-t au brevet anglais n 1 405 312-IRSID (publie le 10 Septembre 1975).
Pour ne pas surcharger inutilemen-t les figures, ces rouleaux-brasseurs n'ont pas ete representes sur la figure 1. Sur la figure 2, seul les rouleaux-brasseurs 11, et 12, 12' ont ete illustres ~ llexclusion de tous les - autres rouleaux ordinaires qui jalonnent normalement en rangs serres les grandes faces de la brame.

La configuration minimale representative de la repartition de llaction du champ magnetique sur la hauteur metallurgique, conformement a l'invention, se caracterise ici, comme on le voit, par la mise en place d'une première paire de rouleaux-brasseurs 11, ll'sur l'extrados de la brame, en aval de la lingotière, à une distance moyenne de 6 mètres de la surface libre 7 du mëtal coule, et une seconde paire de rouleaux 12, 12l decalee vers le bas par rapport à la paire 11, 11l dlune distance moyenne de 1,50 mètre. Par ailleurs, le sens de glissement du champ magnetique creé par la paire 11, 11l est à llopposé de celui crée par la paire 12, 12l.
Dans ces conditions, le brassage electromagnetique provoque par les champs glissants agissant sur les deux niveaux 9 et 10 decales en hauteur cree au sein du metal liquide un mouvement de convection forcee sous forme de triple "0" ou~, si llon prefere, "d'ailes de papillon", qui se developpe sur la majeure portion de la hauteur metallur-gique, clest-à-dire sur la portion comprise entre le niveau limi-te supérieur et la cote ~,5 metres environ et le niveau ~8B78 limite inférieur voisin de la cote 10 mètres. Plus précisé-ment ce mouvement en "ailes de papillon" comprend, comme on ` le voit, un corps central 13 à circulation relativement intense car elle est générée par l'effet conjugué des deux ` ~ zones d'entraînement direct 9 et 10 et, de part et d'autre de ce corps central 13, des régions de recirculation 14, - ~ 15, qui s'épanouissent respectivement vers le haut et vers le bas jusqu'aux niveaux, sur la hauteur métallurgique, de

3,5 metres et 10 metres environ.
Les analyses métallographiques effectuées montrent que les brames coulées et brassées en continu de la maniere qui vient d'etre décrite, présentent une très large zone de solidification équiaxe qui s'initie déjà à une profondeur de peau correspondant au niveau, sur la hauteur métallur-~ique, de 3,5 mètres environ. Par ailleurs, ces analyses montrent également que le coeur des brames est pratiquement exempt de phénomènes de macro-ségrégation. Ces résultats peuvent être vus directement sur la figure 3 où l'on a représenté en 16 l'axe de la brame, (lequel se confond d'ailleurs avec l'axe de coulée) et où l'on a désigné en 17 la large zone de solidification équiaxe bordée de part et d'autre par une grange 18 de solidification basaltique orientée, assez difficilement discernable sur cette repro-, duction d'un tirage photographique. On voit cependant clairement sur cette dernière, au sein de la phase équiaxe 17 les deux cernes clairs concentriques 19 et 20 a distance rapprochée l'un de l'autre et caractérisant les zones de ségrégation négative formées par l'action de brassage dans les régions d'entrainement direct 9 e-t 10. On distingue également, autour et à distance de ces cernes, une autre couronne :21 de ségrégation négative, de contraste beaucoup 71~
plus atténué, et traduisant a cet endroit la présence de la région de recirculation supérieure référencée 1~ sur la figure 1. Il est a noter que la couronne de ségréga tion négative correspondant a la région de recirculation basse 15 n'est pas observable sur la coupe métallographi-que, car on se situe a ce niveau dans une région où la proportion de solide dans le liquide est très importante et forme donc un squelette rigide et où, par conséquent, le balayage du front de sol:idification par les mouvements de convection forcée du métal liquide, responsable de la formation de zone de segregation negative, n'opère plus a cet egard de façon significative.
Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter à l'exemple decrit et s'etend a de nombreuses variantes et equivalents dans la mesure où sont respectees les caracteristiques enoncees dans les revendications jointes.
Il en est ainsi notamment du nombre de champs magnetiques glissants, c'est-a-dire du nombre de zones d'entrainement direct qui s'etagent sur la hauteur metallur-gique, à condition toutefois que le sens de glissement des champs s'inverse entre deux zones d'entraînement direc-ts consecutives.
De meme la disposition en quinconce des inducteurs de brassage definissant les zones d'entrainement direct se justifie dans le cas où le nombre d'inducteurs disponibles est limite. Si non, il est tout à fait possible de coupler les inducteurs les uns en regard des autres au niveau des zones d'entralnement direct, l'important dans ce cas étant bien entendu que les champs magnetiques crees par les inducteurs apparies au niveau d'une zone d'entrainement ~2~ 78 direct déterminée glissent dans le même sens.
De même, le fait que les zones d'entrainement direct 9 et 10 sont créées chacune par un jumelage de deux inducteurs électromagnétiques 11, 11' et 12, 12', ne saurait en aucun cas constituer une limite de la présente invention. Ces dispositions ne s'expliquent en effet que par la volonté de travailler au cours des essais avec des puissances électromagnétiques de 1'ordre de 250 KVA pour chaque zone d'entrainement direct, alors que la puissance nominale des inducteurs disponibles s'élevait à l25 KVA.
Dans ces conditions, on considerera, pour l'in-telligence de l'invention, que les unités inductrices jume-lees sur une même face de la brame telles que 11, 11' au 12, 12' et/ou appariees au même niveau sur les deux faces oppo-sees, constituent un seul et même inducteur, car elles sont destinees à produire une seule et même zone d'entralnement direct du metal liquide. En particulier le sens de glisse-ment du champ magnetique est uni~orme pour ces unites inductrices.

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Claims (5)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège, est revendi-qué sont définies comme il suit:

1. Procédé de brassage électromagnétique de brames métalliques, notamment d'acier, coulées en continu, selon lequel, dans la partie du puits de solidification située en aval de la lingotière dans le sens d'extraction de la brame, on soumet cette dernière à au moins un champ magnétique mobile, glissant selon la largeur de la brame et créant un mouvement d'entraînement du métal liquide, procédé caractérisé en ce qu'on fait agir une pluralité de champs magnétiques glissants de façon à brasser le métal liquide sur la portion de la hauteur métallurgique (H) comprise entre 3 et 4 m environ sous la surface libre du métal en lingotière et 2 à 3 m environ du fond du puits de solidification; en ce que lesdits champs sont produits par des inducteurs électromagnétiques que l'on dispose de façon étagée sur la hauteur métallur-gique en les espaçant l'un de l'autre d'une distance de 1 à 2 m environ, et en ce que l'on règle les inducteurs de façon que le champ magnétique créé par un inducteur quelconque glisse dans un sens opposé de celui des champs magnétiques créés par les inducteurs décalés les plus pro-ches voisins de part et d'autre.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que on localise l'action de l'inducteur le plus voi-sin de la lingotière à environ 5 à 7 m sous la surface libre du métal liquide, et en ce que on localise l'ac-tion de l'inducteur le plus voisin du fond du puits de solidification à environ 4 à 6 m dudit fond.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé

en ce que l'on dispose les inducteurs étagés sur la hauteur métallurgique selon une configuration en quinconce de part et d'autre des deux grandes faces de la brame.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé
en ce que l'on dispose l'inducteur le plus proche de la lingotière sur l'extrados de la brame.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on utilise, de façon connue pour le brassage du métal liquide, des induc-teurs électromagnétiques polyphasés de forme cylindrique placés longitudinalement à l'intérieur des rouleaux de sou-tien et de guidage de la brame, rendus tubulaires à cette fin.