EP0013840B1 - Lingotière pour coulée continue de billettes avec inducteur électromagnétique de brassage - Google Patents

Lingotière pour coulée continue de billettes avec inducteur électromagnétique de brassage Download PDF

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EP0013840B1
EP0013840B1 EP19790400059 EP79400059A EP0013840B1 EP 0013840 B1 EP0013840 B1 EP 0013840B1 EP 19790400059 EP19790400059 EP 19790400059 EP 79400059 A EP79400059 A EP 79400059A EP 0013840 B1 EP0013840 B1 EP 0013840B1
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annular
inductor
caisson
chill mould
cooling fluid
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Jean Delassus
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Compagnie Electro Mecanique SA
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Compagnie Electro Mecanique SA
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal
    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B22D11/114—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means
    • B22D11/115—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means by using magnetic fields

Definitions

  • the present invention relates to an ingot mold for continuous casting of billets, comprising a pouring well made of a non-magnetic material, an annular tank, which surrounds the casting well and which is provided with an inlet distribution device and a distribution device. outlet for cooling water, and an electromagnetic inductor capable of creating a rotating radial magnetic field, which is housed in the annular tank (FR-A-2 355 392, US-A-3941183).
  • Ingot molds for continuous billet casting comprising an electromagnetic stirring inductor capable of creating a magnetic field rotating around the casting axis of the ingot mold, which is sufficiently intense for the magnetic flux created to pass through at the same time the walls of the ingot mold, although they are made of a relatively good conductive copper alloy, and the ingot still liquid during casting, in order to stir the molten metal of the latter.
  • a mold of this type and its inductor are for example described in FR-A-2 355 392. Given the very large amount of heat transmitted to the mold by the molten metal, the bowl of the mold is traversed by a strong current of cooling water and the electromagnetic inductor is completely immersed in this cooling water.
  • the electrical supply voltage of the inductor coils is relatively low (a few hundred volts) and the conductor wires of the coils are covered with waterproof insulation, it is to be feared that water cooling in which the inductor is immersed is of poor quality and, in particular, laden with ferruginous dust. The conductivity of the cooling water therefore often leaves something to be desired and may adversely affect the proper functioning of the inductor in the long run.
  • the main object of the present invention is to remedy this problem by providing an ingot mold of the above-mentioned type, in which the inductor is immersed in a cooling fluid which remains very slightly conductive throughout the lifetime of the ingot mold.
  • the ingot mold according to the present invention is characterized in that the electromagnetic inductor is arranged in an annular box which is watertight for cooling the tank, which is filled with a secondary cooling fluid and which is itself - even arranged and supported in the annular tank so that its walls are spaced from the walls of the annular tank and the taphole, at least the inner cylindrical wall of the sealed annular box which faces the taphole being made of a material non-magnetic.
  • the secondary cooling fluid may for example consist of deoxygenated water, treated so as to have a low electrical conductivity and optionally containing an addition of oil soluble in water.
  • a device capable of creating a closed-circuit circulation of said cooling fluid secondary to the inside said sealed annular box.
  • the ingot mold 1 represented in FIG. 1 comprises, in a known manner, a tapping well 2 made of a non-magnetic material, for example of copper or a copper alloy, an annular tank 3, which surrounds the tapping well 2 and which is provided an inlet distributor 4 and an outlet distributor 5 for cooling water, and an electromagnetic inductor 6.
  • the electromagnetic inductor 6 essentially comprises a magnetic circuit 7 and coils 8 which are supplied with polyphase alternating current at low frequency. Only the heads of the coils 8 have been shown in FIG. 1.
  • the electromagnetic inductor 6 is intended to produce a radial magnetic field rotating around the axis 9 of the pouring tube 2.
  • the diametrically opposite coils 8 are connected in such a way that the magnetic fluxes they create add up, so that the rotating magnetic field thus created crosses the ingot diametrically during solidification.
  • the electromagnetic inductor 6 can be produced as described in FR-A-2 355 392 mentioned above.
  • Screens 10 and 11 produced in the form of cylindrical rings of good conductive metal, for example copper, are arranged behind the heads of the coils 8 so as to reflect the magnetic field created by them.
  • the screen 11 also serves to support the electromagnetic inductor 6 as will be seen below.
  • the electromagnetic inductor 6 is arranged in an annular box 12 watertight for cooling the tank 3, which is filled with a secondary cooling fluid and which is itself placed in the tank 3 so that its walls 13, 14, 15 and 16 are spaced from the walls 17, 18 and 19 of the tank 3 and the tube pouring 2.
  • the sealed annular box 12 is supported on the bottom 19 of the tank 3 by shims 20 circumferentially and radially spaced so as to allow the circulation of the primary cooling water between the bottom 16 of the sealed box 12 and the bottom 19 of the tank 3.
  • the inner cylindrical wall 15 of the waterproof box 12 is made of a non-magnetic material, for example thin stainless steel.
  • the internal cylindrical wall 15 is connected to the upper wall 14 of the box 12 by an annular expansion joint 21 produced for example in the form with a metal bellows.
  • an annular expansion joint 21 produced for example in the form with a metal bellows.
  • a number of expansion bellows 22 are provided (only one of them is visible in FIG. 1) on the external cylindrical wall 13 of housing 12.
  • the electromagnetic inductor 6 and the secondary cooling fluid contained in the sealed box 12 are completely isolated from the primary cooling water, of poor quality and often charged with particles of metal oxides and metal, which circulates in the tank 3.
  • the primary cooling water is admitted into an annular inlet chamber 23 by a water supply pipe 24, then it passes between the bottom 19 of the tank 3 and a plate 25 for supporting the mold 1, and it rises between the pouring tube 2 and a cylindrical wall 26 of non-magnetic metal, which is part of the tank 3 and which is disposed between the tube casting 2 and the internal cylindrical wall 15 of the casing 12. After passing between the pouring tube 2 and the cylindrical wall 26, the primary cooling water divides to follow two circuits.
  • a first circuit passes between the cover 18 of the tank 3 and the upper wall 14 of the waterproof box 12, then between the external cylindrical walls 13 and 17 of the waterproof box 12 and of the tank 3 to reach the annular outlet chamber 27 through orifices 28 in the wall 17 and to exit this chamber 27 via the pipe 29 for discharging water.
  • the second circuit descends between the internal cylindrical walls 15 and 26 of the watertight box 12 and of the tank 3, then it passes between the bottoms 16 and 19 of the waterproof box 12 and of the tank 3, then it goes up between the external cylindrical walls 13 and 17 of the watertight box 12 and of the tank 3 to finally gain the annular outlet chamber 27 through the orifices 28.
  • annular rotor constituted by a conductive rim 30 and by helical blades 31 is mounted to rotate concentrically with the axis 9 between the magnetic circuit 7 of the inductor 6 and the internal cylindrical wall 15 of the sealed box 12, so as to rotate under the effect of the main magnetic field created by the electromagnetic inductor 6.
  • the rotor 30, 31 is rotatably supported by two series of rollers 32 and 33 circumferentially spaced and intended to hold the rotor axially and radially .
  • the blades 31 of the rotor are preferably inclined so as to lower the secondary cooling fluid along the internal cylindrical wall 15 of the casing 12 and to make it rise between the coils 8 and through notches and channels (not shown ) of the magnetic circuit 7 as indicated by the arrows.
  • An annular deflector 34 preferably made of insulating material, can be provided to better direct the secondary cooling fluid in the direction indicated by the arrows.
  • the ring forming the screen 11 is supported by the lower wall 16 of the box 12, and channels 35 are formed at the base of this ring to also allow a circulation of the secondary cooling fluid outside the magnetic circuit 7, between the latter and the external cylindrical wall 13 of the box 12.
  • the secondary cooling fluid can advantageously consist of deoxygenated water and treated so as to have a low electrical conductivity.
  • the secondary cooling water can also be added with water-soluble oil in order to ensure lubrication of the rollers 32 and 33 and to significantly lower the freezing point.
  • the rotor 30, 31 is arranged so as to be driven in rotation by the main magnetic field created by the electromagnetic inductor 6. Part of the magnetic flux main generated by the inductor 6 is therefore used at the expense of stirring the molten metal of the ingot during casting.
  • the rotor 30, 31 can be rotatably mounted concentrically with the heads of the coils 8 of the inductor 6, for example at the bottom of the sealed box 12, so as to rotate under the effect of the magnetic field created by the coil heads, as shown in FIG. 2.
  • the rotor 30, 31 can also be arranged as shown in FIG. 3.
  • the rotor 30, 31 is rotatably mounted coaxially with the inductor 6 at one end of that here, so as to rotate under the effect of the radial component of the magnetic field created by the heads of the coils 8.
  • the rotor 30, 31 is in the form of a flat crown 30 perpendicular to the axis 9 and provided blading 31 inclined so as to circulate the water from the periphery of the crown 30 towards the interior of the latter as indicated by the arrows.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)

Description

  • La présente invention concerne une lingotière pour coulée continue de billettes, comprenant un puits de coulée en une matière amagnétique, une cuve annulaire, qui entoure le puits de coulée et qui est pourvue d'un dispositif répartiteur d'entrée et d'un dispositif répartiteur de sortie pour de l'eau de refroidissement, et un inducteur électromagnétique propre à créer un champ magnétique radial tournant, qui est logé dans la cuve annulaire (FR-A-2 355 392, US-A-3941183).
  • On connaît déjà des lingotières pour coulée continue de billettes, comportant un inducteur électromagnétique de brassage capable de créer un champ magnétique tournant autour de l'axe de coulée de la lingotière, qui est suffisamment intense pour que le flux magnétique créé puisse traverser à la fois les parois de la lingotière, bien qu'elles soient en alliage de cuivre relativement bon conducteur, et le lingot encore liquide en cours de coulée, afin de brasser le métal fondu de ce dernier. Une lingotière de ce type et son inducteur sont par exemple décrits dans FR-A-2 355 392. Etant donné la quantité de chaleur très importante transmise à la lingotière par le métal fondu, la cuve de la lingotière est parcourue par un fort courant d'eau de refroidissement et l'inducteur électromagnétique est totalement immergé dans cette eau de refroidissement.
  • Bien que la tension électrique d'alimentation des bobines de l'inducteur soit relativement basse (quelques centaines de volts) et que les fils conducteurs des bobines soient recouverts d'un isolant étanche à l'eau, il est à craindre que l'eau de refroidissement dans laquelle l'inducteur est immergé soit de qualité médiocre et, en particulier, chargée de poussières ferrugineuses. La conductibilité de l'eau de refroidissement laisse donc souvent à désirer et peut nuire à la longue au bon fonctionnement de l'inducteur.
  • La présente invention a essentiellement pour but de remédier à ce problème en fournissant une lingotière du type susindiqué, dans laquelle l'inducteur est immergé dans un fluide de refroidissement qui reste très peu conducteur pendant toute la durée de vie de la lingotière.
  • A cet effet, la lingotière selon la présente invention est caractérisée en ce que l'inducteur électromagnétique est disposé dans un caisson annulaire étanche à l'eau de refroidissement de la cuve, qui est rempli d'un fluide de refroidissement secondaire et qui est lui-même disposé et supporté dans la cuve annulaire de telle façon que ses parois soient espacées des parois de la cuve annulaire et du puits de coulée, au moins la paroi cylindrique intérieure du caisson annulaire étanche qui fait face au puits de coulée étant en une matière amagnétique.
  • Le fluide de refroidissement secondaire peut être par exemple constitué par de l'eau désoxygénée, traitée de façon à avoir une faible conductivité électrique et contenant éventuellement une addition d'huile soluble à l'eau.
  • Pour assurer le refroidissement du fluide de refroidissement secondaire, il peut être prévu, dans le caisson annulaire étanche ou à l'extérieur de ce dernier et de la cuve, un dispositif propre à créer une circulation en circuit fermé dudit fluide de refroidissement secondaire à l'intérieur dudit caisson annulaire étanche.
  • On décrira maintenant à titre d'exemple, une forme d'exécution de la présente invention en faisant référence au dessin annexé sur lequel:
    • La figure 1 est une vue en coupe axiale d'une lingotière conventionnelle dans laquelle l'inducteur est placé, conformément à la présente invention, dans un caisson annulaire étanche.
    • Les figures 2 et 3 sont des vues partielles en coupe, à plus petite échelle, montrant des variantes.
  • La lingotière 1 représentée sur la figure 1 comprend, de façon connue, un puits de coulée 2 en une matière amagnétique, par exemple en cuivre ou en alliage de cuivre, une cuve annulaire 3, qui entoure le puits de coulée 2 et qui est pourvue d'un dispositif répartiteur d'entrée 4 et d'un dispositif répartiteur de sortie 5 pour de l'eau de refroidissement, et un inducteur électromagnétique 6.
  • L'inducteur électromagnétique 6 comprend essentiellement un circuit magnétique 7 et des bobines 8 qui sont alimentées en courant alternatif polyphasé à basse fréquence. Seules, les têtes des bobines 8 ont été représentées sur la figure 1. L'inducteur électromagnétique 6 est destiné à produire un champ magnétique radial tournant autour de l'axe 9 du tube de coulée 2. De préférence, les bobines 8 diamétralement opposées sont connectées de telle manière que les flux magnétiques qu'elles créent s'additionnent, de telle sorte que le champ magnétique tournant ainsi créé traverse diamétralement le lingot en cours de solidification. A cet effet, l'inducteur électromagnétique 6 peut être réalisé comme décrit dans FR-A-2 355 392 susmentionnée.
  • Des écrans 10 et 11, réalisés sous la forme de couronnes cylindriques en métal bon conducteur, par exemple en cuivre, sont disposés derrière les têtes des bobines 8 de façon à réfléchir le champ magnétique créé par celles-ci. L'écran 11 sert aussi à supporter l'inducteur électromagnétique 6 comme on le verra plus loin.
  • Selon la présente invention, l'inducteur électromagnétique 6 est disposé dans un caisson annulaire 12 étanche à l'eau de refroidissement de la cuve 3, qui est rempli d'un fluide de refroidissement secondaire et qui est lui-même disposé dans la cuve 3 de telle façon que ses parois 13, 14, 15 et 16 soient espacées des parois 17, 18 et 19 de la cuve 3 et du tube de coulée 2. Le caisson annulaire étanche 12 est supporté sur le fond 19 de la cuve 3 par des cales 20 espacées circonférentiellement et radialement de façon à permettre la circulation de l'eau de refroidissement primaire entre le fond 16 du caisson étanche 12 et le fond 19 de la cuve 3. Au moins, la paroi cylindrique intérieure 15 du caisson étanche 12 est réalisée en une matière amagnétique, par exemple en acier mince inoxydable. Afin de parer aux effets des dilatations inégales des parois cylindriques externe et interne 13 et 15 du caisson étanche 12, la paroi cylindrique interne 15 est raccordée à la paroi supérieure 14 du caisson 12 par un joint annulaire de dilatation 21 réalisé par exemple sous la forme d'un soufflet métallique. En outre, pour permettre au fluide de refroidissement secondaire contenu dans le caisson étanche 12 de se dilater, on a prévu un certain nombre de soufflets de dilatation 22 (un seul d'entre eux est visible sur la figure 1 ) sur la paroi cylindrique externe 13 du caisson 12.
  • Grâce à un tel agencement, l'inducteur électromagnétique 6 et le fluide de refroidissement secondaire contenu dans le caisson étanche 12 sont complètement isolés de l'eau de refroidissement primaire, de qualité médiocre et souvent chargée de particules d'oxydes métalliques et de métal, qui circule dans la cuve 3. En effet, comme cela est indiqué par les flèches, l'eau de refroidissement primaire est admise dans une chambre annulaire d'entrée 23 par une conduite 24 d'amenée d'eau, puis elle passe entre le fond 19 de la cuve 3 et une plaque 25 de support de la lingotière 1, et elle remonte entre le tube de coulée 2 et une paroi cylindrique 26 en métal amagnétique, qui fait partie de la cuve 3 et qui est disposée entre le tube de coulée 2 et la paroi cylindrique interne 15 du caisson 12. Après être passée entre le tube de coulée 2 et la paroi cylindrique 26, l'eau de refroidissement primaire se divise pour suivre deux circuits. Un premier circuit passe entre le couvercle 18 de la cuve 3 et la paroi supérieure 14 du caisson étanche 12, puis entre les parois cylindriques externes 13 et 17 du caisson étanche 12 et de la cuve 3 pour gagner la chambre annulaire de sortie 27 à travers des orifices 28 de la paroi 17 et pour sortir de cette chambre 27 par la conduite 29 d'évacuation d'eau. Le deuxième circuit descend entre les parois cylindriques internes 15 et 26 du caisson étanche 12 et de la cuve 3, puis il passe entre les fonds 16 et 19 du caisson étanche 12 et de la cuve 3, puis il remonte entre les parois cylindriques externes 13 et 17 du caisson étanche 12 et de la cuve 3 pour gagner enfin la chambre annulaire de sortie 27 à travers les orifices 28.
  • Afin d'évacuer la chaleur produite par effect Joule dans les conducteurs en cuivre des bobines 8, dans le circuit magnétique 7 et dans les écrans 10 et 11, et aussi afin d'homogénéiser les températures du fluide de refroidissement secondaire entre le haut et le bas de l'inducteur électromagnétique 6, il est nécessaire de faire circuler rapidement l'eau de refroidissement secondaire à l'intérieur du caisson étanche 12, de préférence en circuit fermé.
  • A cet effet, un rotor annulaire constitué par une jante conductrice 30 et par des aubages en hélice 31 est monté rotatif concentriquement à l'axe 9 entre le circuit magnétique 7 de l'inducteur 6 et la paroi cylindrique interne 15 du caisson étanche 12, de façon à tourner sous l'effet du champ magnétique principal créé par l'inducteur électromagnétique 6. Le rotor 30, 31 est supporté à rotation par deux séries de galets de roulement 32 et 33 espacés circonférentiellement et destinés à maintenir le rotor axialement et radialement. Les aubages 31 du rotor sont de préférence inclinés de façon à faire descendre le fluide de refroidissement secondaire le long de la paroi cylindrique interne 15 du caisson 12 et à la faire remonter entre les bobines 8 et à travers des encoches et des canaux (non montrés) du circuit magnétique 7 comme indiqué par les flèches. Un déflecteur annulaire 34, de préférence en matière isolante, peut être prévu pour mieux diriger le fluide de refroidissement secondaire dans le sens indiqué par les flèches. La couronne formant l'écran 11 est supportée par la paroi inférieure 16 du caisson 12, et des canaux 35 sont formés à la base de cette couronne pour permettre aussi une circulation du fluide de refroidissement secondaire à l'extérieur du circuit magnétique 7, entre ce dernier et la paroi cylindrique externe 13 du caisson 12.
  • Le fluide de refroidissement secondaire peut être avantageusement constitué par de l'eau désoxygénée et traitée de façon à avoir une faible conductivité électrique. L'eau de refroidissement secondaire peut être aussi additionnée d'huile soluble à l'eau afin d'assurer une lubrification des galets 32 et 33 et d'abaisser notablement le point de congélation.
  • Dans la forme d'exécution de la présente invention qui a été décrite ci-dessus, le rotor 30, 31 est disposé de façon à être entraîné en rotation par le champ magnétique principal créé par l'inducteur électromagnétique 6. Une partie du flux magnétique principal engendré par l'inducteur 6 est donc utilisée au détriment du brassage du métal fondu du lingot en cours de coulée. Pour éviter cela, le rotor 30, 31 peut être monté rotatif concentriquement aux têtes des bobines 8 de l'inducteur 6, par exemple à la partie inférieure du caisson étanche 12, de façon à tourner sous l'effet du champ magnétique créé par les têtes de bobines, comme montré sur la figure 2. Le rotor 30, 31 peut être encore disposé comme montré sur la figure 3. Dans ce cas, le rotor 30, 31 est monté rotatif coaxialement à l'inducteur 6 à une extrémité de celui-ci, de façon à tourner sous l'effet de la composante radiale du champ magnétique créé par les têtes des bobines 8. Le rotor 30, 31 se présente sous la forme d'une couronne plane 30 perpendiculaire à l'axe 9 et munie d'aubages 31 inclinés de façon à faire circuler l'eau depuis la périphérie de la couronne 30 vers l'intérieur de cette dernière comme indiqué par les flèches.
  • Il est bien entendu que les formes d'exécution de la présente invention qui ont été décrites ci-dessus ont été données à titre d'exemple purement indicatif et nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent être apportées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention.

Claims (10)

1. Lingotière pour coulée (1) continue de billettes, comprenant un puits de coulée (2) en une matière amagnétique, une cuve annulaire (3), qui entoure le puits de coulée (2) et qui est pourvue d'un dispositif répartiteur d'entrée (4) et d'un dispositif répartiteur de sortie (5) pour de l'eau de refroidissement, et un inducteur électromagnétique (6) propre à créer un champ magnétique radial tournant, qui est logé dans la cuve annulaire (3), caractérisée en ce que l'inducteur électromagnétique 6 est disposé dans un caisson annulaire 12 étanche à l'eau de refroidissement de la cuve, qui est rempli d'un fluide de refroidissement secondaire et qui est lui-même disposé et supporté dans la cuve annulaire 3 de telle façon que ses parois 13, 14, 15 et 16 soient espacées des parois 17, 18, 26 et 16 de la cuve annulaire 3 et du puits de coulée 2, au moins la paroi cylindrique intérieure 15 du caisson annulaire étanche 12 étant en une matière amagnétique.
2. Lingotière suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide de refroidissement secondaire est de l'eau désoxygénée, traitée de façon à avoir une faible conductivité électrique et contenant une addition d'huile soluble à l'eau.
3. Lingotière selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la paroi cylindrique intérieure 15 du caisson annulaire étanche 12 est reliée au moins à l'une des parois supérieure et inférieure 14 et 16 dudit caisson 12 par un joint de dilatation 21.
4. Lingotière selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la paroi cylindrique extérieure 13 dudit caisson annulaire étanche 12 comporte au moins un soufflet 22 permettant la dilatation du fluide de refroidissement secondaire.
5. Lingotière selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un dispositif 30 à 34 propre à créer une circulation en circuit fermé du fluide de refroidissement secondaire à l'intérieur du caisson annulaire étanche 12.
6. Lingotière selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit dispositif est constitué par un rotor annulaire 30 à aubages 31, qui est monté rotatif concentriquement à l'intérieur de l'inducteur 6 de façon à tourner sous l'effet du champ magnétique principal créé par l'inducteur.
7. Lingotière selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit dispositif est constitué par un rotor annulaire 30 à aubages 31, qui est monté rotatif concentriquement aux têtes des bobines 8 de l'inducteur 6 de façon à tourner sous l'effet du champ magnétique créé par les têtes de bobines.
8. Lingotière selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit dispositif est constitué par un rotor annulaire 30 à aubages 31, qui est monté rotatif coaxialement à l'inducteur 6 à une extrémité de celui-ci, de façon à tourner sous l'effet de la composante radiale du champ magnétique créé par les têtes des bobines 8 de l'inducteur 6.
9. Lingotière selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que ledit dispositif comprend en outre un déflecteur annulaire 34 propre à canaliser le fluide de refroidissement secondaire le long de la paroi cylindrique intérieure 15 du caisson étanche 12.
10. Lingotière selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que les aubages du rotor sont inclinés de façon à faire descendre le fluide de refroidissement secondaire le long de la paroi cylindrique interne 15 du caisson étanche 12.
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