CA1203069A

CA1203069A - Process and device for electromagnetic casting of metals

Info

Publication number: CA1203069A
Application number: CA000432976A
Authority: CA
Inventors: Charles Vives
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1982-07-23
Filing date: 1983-07-22
Publication date: 1986-04-15
Also published as: JPH0160337B2; DE3361420D1; AU570210B2; ATE16771T1; SU1416050A3; EP0100289B1; USRE32529E; EP0100289A3; FR2530510A1; EP0100289A2; JPS5935865A; FR2530510B1; AU1716483A

Abstract

1. A process for the casting of metals wherein one electromagnetic confinement field generated by the inductor (3) applied to the liquid metal (2) and a stationary magnetic field generated by an annular coil (7) and a variable magnetic field generated by an annular coil (8) both applied above the level of liquid metal are caused to act simultaneously.

Description

~26~3~i9 La présente invention est relative à un procédé
de coulée électromagnétique de métau~ dans lequel on fait agir au moins un champ magnétique différent du champ de confinement et un dispositif y relatif.
Il est connu par le brevet français 1.509.962 que l'on peut obtenir des lingots d'acier ou d'aluminium par coulée électromagnétique. Cette technique consiste à
engendrer autour d'une colonne de métal en fusion, un champ électromagnétique alternatif au moyen d'un inducteur annulaire.
Sous l'action de ce champ, apparaissent dans le métal des forces centripètes qui empêchent son étalement et lui confèrent une certaine géométrie.
Lorsque le métal ainsi confiné est soumis à un refroidissement par un agent frigoporteur convenable, il se solidifie alors suivant la forme imposée par le champ.
A la différence de la coulée classique, la soli-dification ne se produit pas contre les parois d'un moule, mais en dehors de tout contact avec un matériau solide. ~ 26 ~ 3 ~ i9 The present invention relates to a method electromagnetic casting of metal ~ in which we do act at least one magnetic field different from the field of containment and a related device.
It is known by French patent 1,509,962 that can be obtained from steel or aluminum ingots by electromagnetic casting. This technique consists of generate around a column of molten metal, a alternating electromagnetic field by means of an inductor annular.
Under the action of this field, appear in the metal of the centripetal forces which prevent its spreading and give it a certain geometry.
When the metal thus confined is subjected to a cooling by a suitable refrigerant, it then solidifies according to the shape imposed by the field.
Unlike conventional casting, the soli-dification does not occur against the walls of a mold, but outside of any contact with solid material.

2~ ~ans ces conditions, on obtient généralement des lin~ots ayant un meilleur état de surface qui, dans certains cas, peuvent être utilisés directement dans des opérations de transformation dimentionnelle sans avoir recours à des traitements particuliers de surface, tels que le scalpage par exemple.
Cependant, l'application de cette technique n'est pas sans inconvénients. On a, en effet, constaté que le champ électromagnétique de confinement provoque des tour-billons et un brassage excessif du métal liquide. Ceci entraîne, d'une part au cours du refroidissement/ une ins-tabilité du processus de cristallisation qui se traduit par une hétérogéneité de structure et la présence de grains de morphologie différente, d'autre part, l'apparition de piqûres à la surface des lingots dues en partie à la dis-location du film d'oxyde recouvrant le métal, et à sa 12~3~6~

dissémination dans la masse de métal encore liquide.
La demanderesse, consciente des avantages que procurerait malgré tout la coulée électromagnétique, a cherché à remédier à ces défauts.
Plusieurs séries d'essais l'ont amenée à mettre au point un procédé dans lequel on fait agir, au cours de la coulée, au moins un champ magnétique différent du champ variable de confinement et qui se singularise par le fait que l'on fait agir simultanément un champ stationnaire et un champ variable de fréquence convenable pour, à la fois, produire des vibrations radiales au sein du métal non encore solidifié et limiter le brassage.
Dans la coulée électromagnétique, le maintien en confinement du métal liquide est ob-tenu par application d'un champ électromagnétique créé au moyen d'un inducteur annulaire alimenté par un courant alternatif de Eréquence généralement comprise entre 500 et 5000 hertz. L'inducteur exerce son action sur le métal liquide qui est amené par un distributeur et qui s'échappe sous forme de colonne à
la partie inférieure d'un écran de section sensiblement v~isine de celle du lingot à couler et de même axe.
Cette action se traduit non seulement par l'efet de confinement, mais aussi par des mouvements de rotation du métal liquide à la périphérie du lingot dans un plan ~5 passant par son axe et dirigé de bas en haut quand on s'éloigne de cet axe.
Selon la présente invention, il est prévu un procédé de coulée électromagnétique de métaux dans lequel on fait agir sur le métal en cours de solidification dans une lingotière au moins un champ magné-tique différent du champ électromagnétique de confinement afin de créer des vibrations radiales au sein du métal non encore solidifié, et d'en limiter le brassage, caractérisé en ce que l'on Eait agir simultanément un champ stationnaire et un champ 2 ~ ~ years these conditions, we generally get lin ~ ots having a better surface finish which, in some cases, can be used directly in operations dimensional transformation without resorting to special surface treatments, such as scalping for example.
However, the application of this technique is not not without drawbacks. We have, in fact, found that the electromagnetic confinement field causes rotations ridges and excessive mixing of the liquid metal. This leads, on the one hand during cooling / an ins-stability of the crystallization process which results by a heterogeneity of structure and the presence of grains of different morphology, on the other hand, the appearance of pitting on the surface of the ingots due in part to the rental of the oxide film covering the metal, and at its 12 ~ 3 ~ 6 ~

dissemination in the mass of still liquid metal.
The Applicant, aware of the advantages that would still provide electromagnetic casting, a sought to remedy these shortcomings.
Several series of tests have led it to put developed a process in which we act, during casting, at least one magnetic field different from the field confinement variable and which is distinguished by the fact that we make act simultaneously a stationary field and a variable frequency field suitable for both produce radial vibrations within the metal not yet solidified and limit mixing.
In electromagnetic casting, maintaining in confinement of the liquid metal is obtained by application of an electromagnetic field created by means of an inductor ring powered by an alternating current of Frequency generally between 500 and 5000 hertz. The inductor exerts its action on the liquid metal which is brought by a distributor and which escapes in the form of a column to the lower part of a section screen substantially v ~ isine that of the ingot to be cast and of the same axis.
This action not only results in the effect containment, but also by rotational movements liquid metal at the periphery of the ingot in a plane ~ 5 passing through its axis and directed from bottom to top when moves away from this axis.
According to the present invention, there is provided a electromagnetic metal casting process in which act on the metal being solidified in an ingot mold at least one magnetic field different from the electromagnetic confinement field in order to create radial vibrations within the metal not yet solidified, and limit mixing, characterized in that one Would act simultaneously a stationary field and a field

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variable de fréquence appropriée.
Le procédé suivant l'invention, permet à la fois de produire des vibrations radiales au sein du métal non encore solidifié et de limiter le brassage.
Selon la présente invention, il est également prévu un dispositif de coulée electromagnétique de métaux comprenant un inducteur créant un champ de confinement et entourant un lingot de métal dont la partie supérieure est à l'état liquide, un écran et un système de refroi-dissement, le champ créant dans le métal liquide des tourbillons, dispositif comprenant en outre:
- une bobine alimentée en courant continu, et -des moyens pour créer un champ variable de fréquence prédéterminée pour provoquer des vibrations radiales à l'intérieur du métal liquide limitant ainsi le brassage.
De préférence, le champ stationnaire a une direction sensiblement verticale et il est créé par une bobine annulaire alimentée en courant continu comportant un nombre de spires suffisant pour atteindre des valeurs inferieures à 0,5 tesla.
De préférence, cette bobine a une section hori zontale voisine de celle de l'écran, et elle est placée au-dessus de ce dernier et de façon concentrique par 25 rapport à l'axe du lingot. Ce champ peut être modifié
par adjonction à l'intérieur de la bobine d'un noyau en fer de forme annulaire.
Sous l'action combinée de ce champ et du champ de confinement, on constate déjà un effet bénéfique sur 30 l'état de surface et sur la structure et l'homogénéité
du métal dans la zone corticale du produit coulé.
Cependant, l'invention ne se limite pas a la seule application d'un champ stationnaire, mais également à celle d'un champ variable de fréquence convenable pour 35 provoquer des vibrations radiales et limiter le brassage.

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De préférence, ce champ variable de direction parallèle à l'axe du lingot est obtenu au moyen d'une bobine alimentée par un courant alternatif de basse fréquence, c'est-à-dire compris entre 5 et 100 hertz. I1 est évident que, pour des raisons de commodité, on choisit généralement la fr~quence industrielle de 50 Hz.
De préférence, cette bobine, également annulaire, est placee concentriquement a l'intérieur de la bobine alimentée en courant continu et à une hauteur moyenne située à la limite entre l'écran et cette dernière bobine.
Il est possible de supprimer cette bobine en alimentant directement l'écran en courant alternatif et qui devient alors genérateur de champ variable, et cette substitution rend plus aisée -3a-~j:

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l'introduction d'un noyau en fer dans la bobine alimentée en courant continu.
En raison de la basse fréquence utilisée, le champ variable créé soit par la bobine soit par l'écran, étend son action électromagnétique à l'ensemble du métal liquide, de sorte que le mouvement de rotation du métal n'est plus limité au voisinage de la périphérie du lingot comme avec le champ de confinement, mais se manifeste jusqu'à l'axe du lingot. De plus, comme la rotation s'effectue dans un sens inverse de celui produit par le champ de confinement: il résulte de ces effets antagonistes, une réduction de l'ampleur des tourbillons et du brassage constatés dans la coulée électromagnétique classique.
Cette action, qui concerne donc toute la section du lingot, se traduit par un affinage du grain et une homogénéité
plus grande de la cristallisation. Corrélativement, la vitesse de transfert du métal dans les tourbillons diminue et la dislocation de la peau d'oxyde, même si elle n'est pas complètement supprimée, n'est plus suivie d'une dis-2~ sémination généralisée dans le métal des particules qui en résultent, d'où une atténuation du phénomène de piqûres.
Mais le champ variable, joue également d'autres fonctions. I1 donne naissance dans le métal à un courant induit dont les lignes de forces sont des cercles concen-triques. Sous l'action combinée du champ stationnaire et du courant induit, se développent des forces de direction radiale et de fréquence N égale à la fréquence du champ variable. De même, par intéraction du champ variable et du courant induit, tous deux de fréquence N, naissent également des forces radiales variables, mais de fréquence 2 N. Ces vibrations forcées ont pour effet de produire un affinage du grain.
Selon une variante de l'inveniton, il es~
~ possible de créer le champ variable à partir d'une bobine alimentée avec un courant alternatif de fréquence supérieure if ~

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a 100 hertz. Dans ce cas, la pénétration du champ électro-magnétique dans le métal va être d'autant plus limitée que la fréquence est élevée. L'action combinée du champ stationnaire et du courant induit se trouve alors réduite et les vibrations forcées, pratiquement inexistantes.
Néanmoins, on peut quand même obtenix des effets de vibration en utilisant la résonance.
En effet, en fonction des dimensions des produits coules, de la vitesse de coulée, de la nature des métaux et alliages mis en oeuvre, il existe des fréquences de vibration propres du métal liquide, des dendrites en cours de formation ou de la masse solide, dont la valeur peut être déduite par le calcul ou par mesure à l'aide de capteurs adéquats. Si on ajuste la fréquence du champ variable à
~5 la valeur de ces fréquences fondamentales ou harmoniques, on d~veloppe la formation de vibrations de résonance dont les effets sont aussi notables sur l'affinage du grain.
Dans ce cas, il n'est pas toujours nécessaire de recourir à une bobine spéciale pour créer le champ ~0 variable car on peut, dans certaines conditions, obtenir le phénom~ne de resonance ~ partir du champ électromagnétique de confinement lui-même.
Un mode de réalisation de l'invention va maintenant etre decrit à titre d'exemple non limitatif en se référant aux dessins attachés, dans lesquels:
- La figure 1: est une coupe par un plan vertical passant pas l'axe du lingot d'un dispositif de coulée électromagnétique suivant l'art antérieur, et - La figure 2: montre la même coupe du dispo-sitif suivant l'invention.
Sur la figure 1, on voit un lingot de métal (1)dont la partie supérieure (2) est à l'état liquide. Ce lingot est entouré par un inducteur (3) qui crée le champ ~le~tromagnétique de confinement, par un écran (4) et un système de refroidissement (5). Le champ crée dans le métal li~uide de tourbillons (6).

~ `

~ ~ ~3 3()~ii9 Sur la figure 2, on retrouve les mêmes moyens que ci-dessus auxquels sont ajou-tés les moyens suivant l'invention, à savoir/ une bohine (7) alimentée en courant continu et une bobine (8) alimentée en courant alternatiE.
Le champ créé par ce-tte dernière bobine produit une circula-tion du métal suivant la trajec-toire (9), tandis que se développent des vibrations radiales représentées par (10).
L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple de réalisation suivant:
On a coulé une billette de 0 350 mm en alliage d'aluminium 2024 affiné avec de l'AT5s à raison de 1 kg/-tonne d'aluminium. Une première partie a été réalisée avec ap-plication d'un champ de confinement de fréquence 2000 hertz créé sous une tension de 28 volts et une intensité de J.5 4900 ampères.
Sur une deuxieme partie, on a appliqué le procédé
selon l'invention, c'est-à-dire qu'on a alimenté une bobine annulaire placée au-dessus de l'écran sous une tension continue de 24 volts, par un courant de 17 500 ampères-tours ~n pour créer un champ stationnaire de 0,0~ tesla. Une autre boblne, placée à l'intérieur de la première, à une hauteur voisine du hau-t de l'écran, était alimentée sous une ten-s:i.on de 75 vo]ts, par un courant de 3~300 ampère-tours, ayan-t une période de 50 hertz, pour créer un champ variable.
On a constaté que la deuxième partie de la bil-lette présentait uniquement des grains équiaxes dendri-tiques, alors que, dans la première partie, étaient présents également des grains équiaxes sans dendrites; de plus, le nombre de grains avait également été multiplié par ~, tandis que l'état de surface s'était sensiblement amélioré, ne présentant ni piqûres, ni rugosités.
La présente invention trouve son application dans la coulée électromagnétique des métaux et alliages sous orme de plaques, billettes, lingots etc... quand on ~.z~306~

cherche à améliorer à la fois la structure et l'état de surface des produits coulés. 3 ~ 6 ~

appropriate frequency variable.
The process according to the invention allows both to produce radial vibrations within the metal not still solidified and limit mixing.
According to the present invention, it is also provided an electromagnetic metal casting device comprising an inductor creating a confinement field and surrounding a metal ingot whose upper part is in a liquid state, a screen and a cooling system the field creating in the liquid metal vortices, device further comprising:
- a coil supplied with direct current, and -means to create a variable field of predetermined frequency to cause vibrations radial inside the liquid metal thus limiting brewing.
Preferably, the stationary field has a substantially vertical direction and it is created by a annular coil supplied with direct current comprising a sufficient number of turns to reach values less than 0.5 tesla.
Preferably, this coil has a hori section zontale close to that of the screen, and it is placed above the latter and concentrically by 25 relative to the axis of the ingot. This field can be modified by adding a core in the interior of the coil ring-shaped iron.
Under the combined action of this field and the field containment, there is already a beneficial effect on 30 the surface condition and the structure and uniformity metal in the cortical area of the poured product.
However, the invention is not limited to the only application of a stationary field, but also to that of a variable frequency field suitable for 35 cause radial vibrations and limit mixing.

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Preferably, this variable direction field parallel to the axis of the ingot is obtained by means of a coil powered by low frequency alternating current, that is to say between 5 and 100 hertz. It is obvious that, for convenience, we generally choose the industrial frequency of 50 Hz.
Preferably, this coil, also annular, is placed concentrically inside the coil supplied with direct current and at a medium height located at the limit between the screen and this last coil.
It is possible to remove this coil by supplying directly the screen in alternating current and which becomes then variable field generator, and this substitution makes it easier -3a-~ d:

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the introduction of an iron core into the energized coil in direct current.
Due to the low frequency used, the variable field created either by the coil or by the screen, extends its electromagnetic action to all of metal liquid, so the rotational movement of the metal no longer limited to the vicinity of the ingot's periphery as with the containment field, but manifests up to the ingot axis. In addition, as the rotation takes place in the opposite direction to that produced by the field of containment: it results from these antagonistic effects, a reduction in the extent of vortices and mixing found in conventional electromagnetic casting.
This action, which therefore concerns the entire section of the ingot, results in grain refinement and homogeneity greater crystallization. Correlatively, the metal transfer speed in vortices decreases and the dislocation of the oxide skin, even if it is not not completely deleted, is no longer followed by a 2 ~ generalized semination in the metal of the particles which result, hence a reduction in the phenomenon of bites.
But the variable field, also plays other functions. I1 gives birth in the metal to a current armature whose lines of force are concentric circles triques. Under the combined action of the stationary field and induced current, directional forces develop radial and of frequency N equal to the frequency of the field variable. Likewise, by interaction of the variable field and induced current, both of frequency N, arise also of variable radial forces, but of frequency 2 N. These forced vibrations have the effect of producing grain refinement.
According to a variant of the invention, it is ~
~ possible to create the variable field from a coil supplied with alternating current of higher frequency if ~

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at 100 hertz. In this case, the penetration of the electro-magnetic in the metal is going to be all the more limited that the frequency is high. The combined action of the field stationary and induced current is reduced and forced vibrations, practically nonexistent.
However, you can still get effects of vibration using resonance.
Indeed, depending on the dimensions of the products flows, casting speed, nature of metals and alloys used, there are frequencies of clean vibrations of liquid metal, dendrites in progress of formation or solid mass, the value of which can be deduced by calculation or by measurement using sensors adequate. If we adjust the frequency of the variable field to ~ 5 the value of these fundamental or harmonic frequencies, the formation of resonance vibrations is developed, the effects are also notable on the refining of the grain.
In this case, it is not always necessary to use a special coil to create the field ~ 0 variable because we can, under certain conditions, obtain the phenomenon ~ resonance ~ from the electromagnetic field containment itself.
An embodiment of the invention will now be described by way of nonlimiting example with reference to the attached drawings, in which:
- Figure 1: is a section through a vertical plane passing the axis of the ingot of a casting device electromagnetic according to the prior art, and - Figure 2: shows the same section of the dispo-sitive according to the invention.
In Figure 1, we see a metal ingot (1) whose upper part (2) is in the liquid state. This ingot is surrounded by an inductor (3) which creates the field ~ the ~ containment magnetic, by a screen (4) and a cooling system (5). The field created in the metal li ~ uide of vortices (6).

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~ ~ ~ 3 3 () ~ ii9 In Figure 2, we find the same means that above to which are added the following means the invention, namely / a bohine (7) supplied with current DC and a coil (8) supplied with alternating current.
The field created by this last coil produces a circulation tion of the metal along the path (9), while develop radial vibrations represented by (10).
The invention can be illustrated using the following example:
We poured a billet of 0 350 mm in alloy of aluminum 2024 refined with AT5s at a rate of 1 kg / -tonne aluminum. A first part was carried out with ap-application of a 2000 hertz frequency confinement field created under a voltage of 28 volts and an intensity of J.5 4900 amps.
On a second part, we applied the process according to the invention, that is to say that a coil has been supplied ring placed above the screen under tension continuous 24 volts, with a current of 17,500 ampere-turns ~ n to create a stationary field of 0,0 ~ tesla. Another boblne, placed inside the first, at a height near the top of the screen, was powered by a voltage s: i.on of 75 vo] ts, by a current of 3 ~ 300 ampere-turns, ayan-t a period of 50 hertz, to create a variable field.
It was found that the second part of the bil-lette only had dendri- equiaxial grains ticks, while in the first part were present also equiaxed grains without dendrites; in addition, the number of grains had also been multiplied by ~, while the surface condition had improved significantly, showing neither pitting nor roughness.
The present invention finds its application in the electromagnetic casting of metals and alloys in the form of plates, billets, ingots etc ... when we ~ .z ~ 306 ~

seeks to improve both the structure and the state of surface of the cast products.

Claims

The embodiments of the invention, concerning the-which an exclusive property or privilege is claimed, are defined as follows:

1. Electromagnetic casting process of metals in which we act on the metal being solidification in an ingot mold at least one magnetic field tick different from the electromagnetic confinement field in order to create radial vibrations within the metal not still solidified, and to limit mixing, characterized in that we act simultaneously a station field-variable field of appropriate frequency.

2. Method according to claim 1, characterized in that the stationary field has a value less than 0.5 tesla.

3. Method according to claim 1, characterized in that the stationary field is modified by the presence of an iron core.

4. Method according to claim 1, characterized in that the variable field has a frequency between 5 and 100,000 Hertz.

5. Method according to claim 1, characterized in that the variable field is the confinement field.

6. Method according to claim 1, characterized in that the variable field is different from the field of confinement.

7. Method according to claim 4, characterized in that, when the frequency of the variable field is com-taken between 100 and 100,000 Hertz we choose values which resonate with the frequencies clean of liquid metal, dendrites being formed tion, or solid mass.

8. Method according to claim l, characterized in that the stationary field is created by a coil annular whose lower part is located above the liquid metal level.

9. Method according to claim 6, characterized in that the variable field is created by an an-ring whose lower part is located above the level of liquid metal.

10. Electromagnetic casting device metals, including an inductor creating a field of confidence ment and surrounding a metal ingot of which the part upper is in the liquid state, a screen and a system cooling, the field creating in the liquid metal vortices, a device further comprising:
- a coil supplied with direct current, and - means to create a variable field of predetermined frequency to cause vibrations radial inside the liquid metal thus limiting brewing.

11. Device according to claim 10, in which the rotary movement of the liquid metal due to the field created by the coil supplied with alternating current in the opposite direction to that produced by the field of confinement.

12. Device according to claim 11, in which said means for creating a variable field comprises a coil supplied with alternating current creating a field producing a circulation of the liquid metal whose movement rotation occurs up to the axis of the ingot.

13. Device according to claim 12, in which the coil supplied with direct current is a coil annular creating a stationary field having a direction substantially vertical and having a number of turns predetermined to reach values less than 0.5 tesla.

14. Device according to claim 13, in which the coil supplied with direct current has a section hoizontale close to that of said screen and it is placed above said screen concentrically with respect to to the ingot axis.

15. Device according to claim 14, in which inside the coil supplied with current continuous is arranged an iron core of annular shape can modify the field created by the powered coil in direct current.

16. Device according to claim 12, in which said coil supplied with alternating current creates a variable field of direction parallel to the ingot axis, said alternating current being of low frequency, understood between 5 and 100 hertz.

17. Device according to claim 16, in which the coil supplied with alternating current is annular and is placed concentrically inside of the coil supplied with direct current and at a height average located at the limit between said screen and the coil supplied with direct current.

18. Device according to claim 12, wherein said means for creating a variable field include said screen supplied directly with current alternative thus becoming generator of said variable field.

19. Device according to claim 18, in which said variable field gives birth in metal liquid to an induced current whose lines of force are concentric circles.

20. Device according to claim 17, in which said coil supplied with alternating current has a frequency greater than 100 hertz.