EP0021889B1 - Procédé pour réaliser le confinement des métaux liquides par mise en oeuvre d'un champ électromagnétique - Google Patents

Procédé pour réaliser le confinement des métaux liquides par mise en oeuvre d'un champ électromagnétique Download PDF

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EP0021889B1
EP0021889B1 EP80400751A EP80400751A EP0021889B1 EP 0021889 B1 EP0021889 B1 EP 0021889B1 EP 80400751 A EP80400751 A EP 80400751A EP 80400751 A EP80400751 A EP 80400751A EP 0021889 B1 EP0021889 B1 EP 0021889B1
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EP
European Patent Office
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coil
jet
screen
stream
confinement
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EP80400751A
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Jacques Garnier
Marcel Garnier
René Moreau
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Bpifrance Financement SA
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Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
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Publication date
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    • Y10T137/218—Means to regulate or vary operation of device
    • Y10T137/2191—By non-fluid energy field affecting input [e.g., transducer]

Definitions

  • the optimal frequency f a is that for which the penetration depth 5 of the electromagnetic field is equal to the radius R of the unconfined liquid metallic jet, that is:
  • a coil was passed through with a frequency current in combination with a screen penetrating inside the coil from the bottom, the detachment taking place at the upper edge of the screen, whereas, according to the present invention, a coil is used traversed by a current of frequency (r, radius of the jet after confinement, being less than R, radius of the jet after confinement) without screen or with a screen penetrating into the coil from the top; in the absence of a screen, detachment takes place at a level which is not easily determinable, while in the presence of a screen this detachment takes place at the lower edge of the screen.
  • r radius of the jet after confinement, being less than R, radius of the jet after confinement
  • the subject of the invention is therefore a method for confining a jet of liquid metal by creating, substantially at the level where the confinement is to be carried out, an overpressure in the jet by means of at least one coil surrounding the jet at this level. and traversed by an alternating current, characterized in that the said alternating current has a low frequency, less than the inverse of the product of the magnetic permeability of the liquid metal by the electrical conductivity of this metal and by the square of the radius of the jet of this metal after confinement, in coherent units, whereby the use of a screen or a second coil in opposition is avoided in order to eliminate the magnetic field produced in said at least one coil when it is traversed by said alternating current.
  • this low frequency has a value substantially equal to the inverse of the product of said permeability, by said conductivity and by the square of the radius of the metal jet before confinement, in coherent units.
  • the method uses a second coil surrounding the jet, this second coil being arranged under the first coil in the direction of flow of the jet, the two coils being arranged on either side of the joint and being traversed by alternating currents of the same frequency, constantly in phase opposition.
  • the method further comprises the use of a screen made of an electrically conductive material arranged concentrically with said at least one coil and penetrating inside the latter from the top, if we consider the direction of movement of the jet.
  • Figure 1 shows, in section, a device according to patent FR-A-2,316,026.
  • Figures 2, 3 and 4 show, also in section, three modes of implementation of the method according to the present application, namely respectively: for the confinement of a jet at the outlet of a nozzle and having no screen detachment; for confining a jet at the outlet of a nozzle and comprising a separation screen; and to ensure the passage of a seal and having no release screen.
  • FIG. 5 illustrates the variation, as a function of the frequency in kHz, of a coefficient C f representative of the efficiency of the magnetic field (for a vein of liquid steel having a diameter of 40 mm).
  • FIGS. 6 and 7, finally, are used to explain how the contraction phenomenon takes place, even in the absence of a screen for suppressing a magnetic field, when a field is implemented in the method according to the invention sufficiently low frequency.
  • FIG. 1 shows the state of the art as described in the prior patent FR-A 2,316,026, in particular FIG. 1 of this patent, so as to better understand the differences between the present invention and said application.
  • the jet of liquid metal 6 leaving the nozzle 1 takes off from the walls 7 of this nozzle at level h of the upper edge 8 of the screen 3.
  • the jet thus confined has a diameter d smaller at diameter D from level h.
  • the location of the separation of the jet can be precisely fixed by fixing the position of the upper edge 8 of the screen 3 which penetrates from below into the coil 2.
  • the diameter d of the jet can be adjusted by modifying the intensity of high frequency alternating electric current flowing through the coil 2.
  • the confinement is achieved by the combination of the coil 2 and the screen 3 and the frequency which runs through the coil 2 must be such that it satisfies the conditions: by calling R the radius of the jet of liquid metal before its contraction e the thickness of the metallic screen 3, a m and ac the electrical conductivities respectively of the liquid metal constituting the jet 6 and of the good electrically conductive material constituting the screen 3 and y is the electrical conductivity of the liquid metal .
  • the contraction coefficient ⁇ is equal to the ratio d / D or r / R
  • FIG. 2 diagrammatically illustrates the simplest embodiment, namely a device ensuring the separation of a jet of liquid metal at the outlet of a nozzle without the use of a screen, but simply of a coil traversed by an alternating current of sufficiently low frequency.
  • FIG. 2 there has been illustrated in 1 a the nozzle and in 2a the coil, the jet 6a passing from the diameter D, before confinement, to the diameter d under the effect of the magnetic field produced by the coil 2a when the latter is crossed by an alternating current of frequency f such that the penetration depth of the magnetic field in the jet of liquid metal is greater than the radius r of the jet of the confined liquid metal
  • the frequency f is close to an optimal frequency f o such that the penetration depth is equal to the radius R of the unconfined liquid vein:
  • FIG. 3 an embodiment of the invention is illustrated comprising, in addition to the coil traversed by an alternating current of low frequency (as defined above with reference to FIG. 2), a screen made of a material good conductor of electricity.
  • the nozzle 1b, the coil 2b and the screen 3b have been illustrated, all three of revolution around the axis XX ′.
  • the jet of liquid metal 6b passes from a diameter D, before contraction, to the diameter d after contraction, the contraction and detachment taking place at the level k defined by the lower edge of the screen 3b which, unlike the screen 3 of Figure 1, enters the coil 2 from the top in the direction of flow of the jet 6b.
  • FIG 4 there is shown a device implementing the improvements according to the invention to ensure the passage of a seal and having no screen.
  • a device implementing the improvements according to the invention to ensure the passage of a seal and having no screen.
  • the penetration depth 5 is just equal to the radius R of the non-contracted metallic vein, the magnetic field being zero in the center of the vein, it appears, immediately below the lower edge of the screen, electromagnetic overpressure If an initiation of contraction of the metallic vein occurs upstream of this zone (and it will necessarily occur because of the pulling effect of gravity combined with magnetic decay outside the coil and instabilities that exist on the surface of the jet), the depth of penetration locally becomes greater than the radius of the metal stream and the efficiency of the magnetic field decreases, since B has ceased to be zero. This results in a decrease in pressure in the jet, which leads to a local increase in speed and an increase in the original contraction. The process continues and the contraction affects the entire jet. The release seal then rises in the coil where, because of the uniformity of the magnetic field, it cannot be fixed stably, to immobilize at the lower edge of the screen beyond which the nullity of the magnetic field would force it to go back down.
  • the two tables below give the values of the contraction coefficient ⁇ and the flow reduction coefficient (if p and ⁇ o respectively designate the flows with and without magnetic field), for a vein of liquid steel with an initial diameter of 40 mm under a load of 1 m of liquid, for different values of Bo.
  • the method and the device according to the invention make it possible to carry out the confinement of liquid metals, in particular liquid steel, liquid aluminum or liquid copper, as well as their alloys.

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Description

  • On a décrit dans le brevet FR-A-2.316.026, déposée le 4 Juillet 1975 par le déposante et l'INSTITUT DE MECANIQUE de Grenoble, un dispositif pour confiner un jet de métal liquide, caractérisé par le fait qu'il comprend, en combinaison, au niveau de l'orifice de sortie dudit jet formant busette, d'une part, des moyens pour créer une surpression dans le jet constitués par une bobine entourant la busette et disposée à la sortie de celle-ci, en combinaison avec des moyens pour faire parcourir la bobine par un courant alternatif de fréquence élevée et, d'autre part, des moyens pour supprimer cette surpression.
  • Le dispositif selon cette demande de brevet mettait donc en oeuvre, pour réaliser le confinement d'un jet de métal liquide, la combinaison de deux moyens, savoir:
    • - d'une part, une bobine qui entoure la busette par où sort le jet et qui est-parcourue par un courant alternatif de fréquence élevée, cette bobine créant une surpression dans le jet à la sortie de la busette,
    • -d'autre part, des moyens pour supprimer cette surpression.
  • On précisait dans ladite demande que:
    • -la fréquence f du courant alternatif qui parcourt la bobine devait être suffisamment élevée pour que la profondeur de pénétration 5 de l'induction ou champ magnétique dans le jet réponde aux deux conditions suivantes:
      Figure imgb0001
      R étant le rayon du jet de métal avant contraction et e l'épaisseur de l'écran métallique; on devait donc avoir:
      Figure imgb0002
      avec am et ac représentant la conductivité électrique respectivement du métal qui constituait le jet (par exemple l'acier ou l'aluminium) et du métal qui constituait l'écran (par exemple le cuivre) et µ désignant la perméabilité magnétique du métal liquide;
    • - les moyens pour supprimer la surpression dans le jet étaient avantageusement constitués par un écran en une matière conductrice de l'électricité, concentrique à la bobine et pénétrant à l'intérieur de celle-ci par le bas (lorsqu'on considère le sens d'écoulement du jet de métal liquide), des moyens étant prévus pour refroidir tant la bobine que l'écran en éliminant la chaleur qui y est produite lorsque la bobine est parcourue par ledit courant alternatif.
  • La première addition au brevet précitée, savoir l'addition FR-A-2.396.612, déposée le 8 Juillet 1977 également par l'AGENCE NATIONALE DE VALORISATION DE LA RECHERCHE et l'INSTITUT DE MECANIQUE de Grenoble, avait pour objet de réaliser une régulation du débit d'un jet de métal liquide par mise en oeuvre du dispositif selon le brevet FR-A-2.316.026, en prévoyant en outre des moyens pour réduire à la valeur désirée la section dudit jet au niveau de l'orifice de sortie afin de réaliser le débit désiré; de préférence, ces moyens étaient constitués par des moyens pour faire varier l'intensité dudit courant alternatif de fréquence élevée.
  • Dans tous les cas (brevet principal et certificat d'addition), on prévoyait des moyens pour supprimer la surpression dans le jet de métal liquide, ces moyens étant avantageusement constitués par un écran en une matière conductrice de l'électricité, ledit écran, de forme cylindrique, étant concentrique à la bobine et pénétrant à l'intérieur de celle-ci à partir du bas (en considérant le sens d'écoulement du jet de métal liquide).
  • On expliquait, dans le brevet FR-A-2.316.026, que l'écran avait pour effet de supprimer brutalement l'induction magnétique et donc de supprimer la surpression dans le jet, ce qui entraînait une réduction de section du jet du fait de l'invariance du débit Q2 = SV, d'une part, et de la charge (hydrostatique)
    Figure imgb0003
    d'autre part; en appelant S la section, V la vitesse, P la pression et P la masse volumique du métal liquide, et g l'accélération de la pesanteur. En effet, diminuant la pression au sein du jet de métal liquide, on augmente la vitesse V d'écoulement du métal liquide (à cause de l'invariance de la charge H) et on diminue donc la section (qui est inversement proportionnelle à la vitesse V du fait de l'invariance du débit Q).
  • La réduction de section du jet et donc le décollement avaient lieu au niveau du bord supérieur de l'écran dans le cadre de l'invention selon le brevet FR-A-2.316.026 et sa première addition.
  • Or, la demanderesse vient de constater avec surprise que l'on pouvait également réaliser un confinement d'un jet de métal liquide sans écran de suppression du champ magnétique ou moyen équivalent (par exemple deux bobines parcourues par des courants alternatifs en opposition de phases), comme exposé dans le brevet FR-A-2.316.026, à condition de mettre en oeuvre une bobine parcourue par un courant alternatif à une basse fréquence inférieure à la valeur de la fréquence pour laquelle la profondeur de pénétration à du champ magnétique dans le jet du métal liquide est égale au rayon du jet du métal liquide une fois confiné par le champ magnétique; on doit donc avoir δ > r, c'est-à-dire:
    Figure imgb0004
    µ et σm ayant les significations indiquées ci-dessus es r désignant le rayon du jet de métal liquide après contraction.
  • La demanderesse a en outre constaté que la fréquence optimale fa est celle pour laquelle la profondeur de pénétration 5 du champ électromagnétique est égale au rayon R du jet métallique liquide non confiné, soit:
    Figure imgb0005
  • La demanderesse a ainsi constaté que, pour les basses fréquences ci-dessus précisées, notamment au voisinage de la fréquence optimale fo, le confinement est effectivement produit uniquement par la bobine parcourue par un courant alternatif à une telle basse fréquence. Toutefois le décollement ne se produit pas à un niveau stable bien déterminé. Pour stabiliser à un niveau précis le décollement du jet de métal liquide, on peut prévoir un écran concentrique à la bobine, cet écran pénétrant dans la bobine, non pas à partir du bas (en considérant l'écoulement du jet) comme dans le brevet FR-A-2.316.026, mais à partir du haut; le décollement se produit alors au niveau du bord inférieur de l'écran.
  • En résumé, dans le cadre de l'enseignement du brevet FR-A-2.316.026, on mettait en oeuvre une bobine parcourue par un courant de fréquence
    Figure imgb0006
    en combinaison avec un écran pénétrant à l'intérieur de la bobine depuis le bas, le décollement ayant lieu au niveau du bord supérieur de l'écran, alors que, selon la présente invention, on met en oeuvre une bobine parcourue par un courant de fréquence
    Figure imgb0007
    (r, rayon du jet après confinement, étant inférieur à R, rayon du jet après confinement) sans écran ou avec un écran pénétrant dans la bobine à partir du haut; en l'absence d'écran, le décollement a lieu à un niveau mal déterminable, tandis qu'en présence d'écran ce décollement a lieu au niveau du bord inférieur de l'écran.
  • On connaît par ailleurs (brevet FR-A-1.188.576 déposé le 12 novembre 1957 par la société W. C. HERAEUS et LU-A-66.760 déposé le 28 décembre 1972 par le CENTRE DE RECHERCHES METALLURGIQUES) des procédés et dispositifs de coulée d'un métal liquide mettant en oeuvre un resserrement du jet de coulée au moyen d'une bobine sans mise en oeuvre d'un écran. Aucune précision n'est donnée (dans ces deux brevets) au sujet de la fréquence du courant qui parcourt la bobine. L'homme de fart ne peut donc savoir comment il faut travailler pour réaliser un confinement du jet de métal liquide.
  • Or la demanderesse a découvert que, si l'on voulait se passer d'écran de suppression du champ magnétique, il fallait mettre en oeuvre un courant alternatif dont la fréquence est inférieure à une certaine valeur, et de préférence voisine d'une fréquence optimale fa déterminée.
  • Elle a également découvert qu'à ces basses fréquences, la présence d'un écran pénétrant par le haut dans la bobine permettait de fixer le niveau du décollement au bord inférieur de l'écran.
  • Aucun de ces enseignements permettant de réaliser un confinement correct, et à coup sûr, d'un jet de métal liquide n'est donné ni dans le brevet FR-A-1.188.576, ni dans le brevet LU-A-66.760. En effet la notion de fréquence optimale qui est capitale n'apparaît pas dans les brevets FR-A-1.188.576 et LU-A-66.760 précités.
  • D'une part, parce que, pour toute fréquence plus élevée, le confinement est difficile, voire impossible à obtenir, sauf dans des conditions peu réalistes où le jet métallique est soumis à des instabilités de grande amplitude; d'autre part, parce que, pour toute fréquence inférieure, le confinement est possible (ce qui explique pourquoi il est facile de choisir avec le maximum de chances de succès une fréquence conduisant à un confinement), mais entraîne une consommation de puissance très importante.
  • La courbe de la figure 5 donnant Cf, coefficient représentatif de l'efficacité du champ magnétique, en fonction de la fréquence le montre; en effet, plus la fréquence diminue en deça de la fréquence optimale, plus l'efficacité du champ magnétique décroît. Ainsi, pour une puissance donnée, fournie à la bobine, le confinement sera réalisé, mais avec un coefficient de contraction d'autant plus réduit que la fréquence sera plus faible. Autrement dit, pour obtenir une contraction donnée, il faudra fournir d'autant plus de puissance à la bobine que la fréquence sera plus éloignée inférieurement de la fréquence optimale. La forte croissance de la courbe C, pour des fréquences basses (inférieures à 5 kHz dans le cas particulier représenté) montre clairement, sans qu'il soit besoin de faire le moindre calcul, que toute diminution, même très faible, de fréquence conduit à une forte diminution de l'efficacité du champ magnétique, qui doit être compensée par une augmentation importante de la puissance à fournir à la bobine. Par conséquent, si l'on ne s'intéresse pas seulement au phénomène de confinement en lui-même, mais aux applications pratiques et industrielles du procédé et donc obligatoirement à l'aspect économique, l'apport de l'invention, vis-à-vis de ces deux brevets antérieurs, est primordial du fait des précisions qu'elle apporte en ce qui concerne la fréquence optimale.
  • L'invention a donc pour objet un procédé pour confiner un jet de métal liquide en créant, sensiblement au niveau où l'on veut réaliser le confinement, une surpression dans le jet au moyen d'au moins une bobine entourant le jet à ce niveau et parcourue par un courant alternatif, caractérisé par le fait que ledit courant alternatif a une fréquence basse, inférieure à l'inverse du produit de la perméabilité magnétique du métal liquide par la conductivité électrique de ce métal et par le carré du rayon du jet de ce métal après confinement, en unités cohérentes, grâce à quoi on évite la mise en oeuvre d'un écran ou d'une deuxième bobine en opposition pour réaliser la suppression du champ magnétique produit dans ladite au moins une bobine lorsqu'elle est parcourue par ledit courant alternatif.
  • De préférence, cette fréquence basse a une valeur sensiblement égale à l'inverse du produit de ladite perméabilité, par ladite conductivité et par le carré du rayon du jet métallique avant confinement, en unités cohérentes.
  • Pour réaliser le passage d'un joint le procédé met en oeuvre une seconde bobine entourant le jet, cette seconde bobine étant disposée sous la première bobine dans le sens d'écoulement du jet, les deux bobines étant disposées de part et d'autre du joint et étant parcourues par des courants alternatifs de même fréquence, constamment en opposition de phase.
  • Avantageusement, le procédé comporte en outre la mise en oeuvre d'un écran en une matière conductrice de l'électricité disposé concentriquement à ladite au moins une bobine et pénétrant à l'intérieur de celle-ci à partir du haut, si on considère le sens de déplacement du jet.
  • L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication.
  • La figure 1 représente, en coupe, un dispositif selon le brevet FR-A-2.316.026.
  • Les figures 2, 3 et 4 représentent, également en coupe, trois modes de mise en oeuvre du procédé selon la présente demande, savoir respectivement: pour le confinement d'un jet à la sortie d'une busette et ne comportant pas d'écran de décollement; pour le confinement d'un jet à la sortie d'une busette et comportant un écran de décollement; et pour assurer le passage d'un joint et ne comportant pas d'écran de décollement.
  • La figure 5 illustre la variation, en fonction de la fréquence en kHz, d'un coefficient Cf représentatif de l'efficacité du champ magnétique (pour une veine d'acier liquide ayant 40 mm de diamètre).
  • Les figures 6 et 7, enfin, servent à expliquer comment le phénomène de contraction a lieu, même en l'absence d'écran de suppression de champ magnétique, lorsqu'on met en oeuvre, dans le procédé selon l'invention, un champ magnétique de fréquence suffisamment faible.
  • Selon l'invention, et plus spécialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que selon ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, se proposant, par exemple, de réaliser un procédé pour assurer le confinement des métaux liquides par mise en oeuvre d'un champ électromagnétique, on s'y prend comme suit ou d'un manière analogue.
  • On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui montre l'état de la technique tel que décrit dans le brevet antérieur FR-A 2.316.026, notamment la figure 1 de ce brevet, de manière à mieux faire comprendre les différences entre la présente invention et ladite demande.
  • Sur la figure 1 annexée, on a utilisé les mêmes nombres et lettres de référence que sur la figure 1 de la demande de brevet précitée.
  • Le dispositif de la demande antérieure comprend, autour d'une busette 1 avantageusement de révolution et dont le diamètre de sortie est ègal à D, en combinaison:
    • - une bobine 2 de même axe X-X' que la busette 1, cette bobine étant alimentée, par des moyens non représentés, en un courant alternatif de fréquence élevée f, et
    • - un écran 3 également de révolution autour de l'axe X-X' et qui pénètre à l'intérieur de la bobine 2 à partir du bas (dans le sens d'écoulement du jet de métal liquide), ledit écran étant réalisé en une matière bonne conductrice de l'électricité, telle que le cuivre.
  • Conformément au brevet FR-A 2.316.026, le jet de métal liquide 6 sortant de la busette 1 décolle des parois 7 de cette busette au niveau h du bord supérieur 8 de l'écran 3. Le jet ainsi confiné présente un diamètre d inférieur au diamètre D à partir du niveau h. On peut fixer avec précision l'endroit du décollement du jet en fixant la position du bord supérieur 8 de l'écran 3 qui pénètre par le bas dans la bobine 2. Par ailleurs, on peut régler le diamètre d du jet en modifiant l'intensité du courant électrique alternatif de fréquence élevée parcourant la bobine 2.
  • Conformément à la demande de brevet précitée, le confinement est réalisé par la combinaison de la bobine 2 et de l'écran 3 et la fréquence qui parcourt la bobine 2 doit être telle qu'elle satisfasse aux conditions:
    Figure imgb0008
    en appelant R le rayon du jet de métal liquide avant sa contraction
    Figure imgb0009
    e l'épaisseur de l'écran métallique 3, am et ac les conductivités électriques respectivement du métal liquide constituant le jet 6 et de la matière bonne conductrice de l'électricité constituant l'écran 3 et y est la conductivité électrique du métal liquide. Le coefficient de contraction α est égal au rapport d/D ou r/R
    Figure imgb0010
  • En se référant maintenant aux figures 2 à 4, on va décrire trois modes de réalisation d'un dispositif mettant en oeuvre les perfectionnements selon l'invention.
  • La figure 2 illustre schématiquement le mode de réalisation le plus simple, à savoir un dispositif assurant le décollement d'un jet de métal liquide à la sortie d'un tuyère sans mise en oeuvre d'écran, mais simplement d'une bobine parcourue par un courant alternatif de fréquence suffisamment basse.
  • Sur la figure 2, on a illustré en 1 a la busette et en 2a la bobine, le jet 6a passant du diamètre D, avant confinement, au diamètre d sous l'effet du champ magnétique produit par la bobine 2a lorsque celle-ci est traversée par un courant alternatif de fréquence f telle que la profondeur de pénétration du champ magnétique dans le jet de métal liquide soit supérieure au rayon r du jet du métal liquide confiné
    Figure imgb0011
    De préférence, comme cela sera expliqué ci-après, la fréquence f est voisine d'une fréquence optimale fo telle que la profondeur de pénétration soit égale au rayon R de la veine liquide non confinée:
    Figure imgb0012
  • La demanderesse a constaté que dans ces conditions, le décollement a lieu au niveau j quelque peu au-dessus de la bobine 2a qui peut être plate et ne comporter qu'un fil enroulé en spirale plane.
  • On expliquera ci-après, avec référence aux figures 5, 6 et 7, les raisons de ce décollement.
  • Sur la figure 3, on a illustré un mode de réalisation de l'invention comportant, en plus de la bobine parcourue par un courant alternatif de basse fréquence (comme défini ci-dessus avec référence à la figure 2), un écran en une matière bonne conductrice de l'électricité.
  • Sur cette figure 3, on a illustré la busette 1 b, la bobine 2b et l'écran 3b, tous trois de révolution autour de l'axe X-X'. Le jet de métal liquide 6b passe d'un diamètre D, avant contraction, au diamètre d après contraction, la contraction et le décollement ayant lieu au niveau k défini par le bord inférieur de l'écran 3b qui, contrairement à l'écran 3 de la figure 1, pénètre dans la bobine 2 à partir du haut dans le sens de l'écoulement du jet 6b.
  • Sur la figure 4, on a représenté un dispositif mettant en oeuvre les perfectionnements selon l'invention pour assurer le passage d'un joint et ne comportant pas d'écran. Sur cette figure, on a un ensemble 11 de conduites 11 a et 11 b séparées par un intervalle 11 c, le tout de révolution autour d'un axe X-X' par exemple. Pour réaliser le décollement du jet 16 au niveau du joint ou intervalle 11 c entre les conduites 1 a et 11 b, on prévoit, par la mise en oeuvre de l'invention, deux bobines 12a et 12b parcourues chacune par un courant alternatif de basse fréquence, les deux bobines étant montées en série de manière à être parcourues à chaque instant par le même courant en sens contraires; chaque bobine réalise vis-à-vis de l'autre un effet d'écran puisque, du fait des sens opposés des courants qui les parcourent, il apparaît un point de champ magnétique nul sur leur axe commun X-X' à égale distance de chacune d'elles. Dans ces conditions, le décollement a lieu au niveau de la partie supérieure a de la bobine supérieure 12a, tandis que le recollement se produit au niveau b à la partie supérieure de la bobine supérieure 12b. Les parties supérieures des deux bobines sont équidistantes du joint.
  • Des modes de mise en oeuvre de l'invention ayant été illustrés avec référence aux figures 2, 3 et 4 avec au moins une bobine parcourue par un courant alternatif de basse fréquence, on va expliquer maintenant, avec référence aux figures 5, 6 et 7, le fonctionnement de ces dispositifs et les raisons du confinement.
  • Le confinement à basse fréquence résulte (comme d'ailleurs le confinement à fréquence élevée, dans le cadre de du brevet antérieure FR-A-2.316.026 précité), d'une part, de l'invariance des deux grandeurs débit Q = SV et charge
    Figure imgb0013
    et, d'autre part, de l'apparition, à l'intérieur de la veine de métal liquide, d'une surpression produite par le champ magnétique engendré par la bobine 2a, 2b, 12a parcourue par un courant alternatif à basse fréquence.
  • C'est la suppression de cette surpression qui entraîne le confinement et donc le décollement. En effet, la diminution de la pression à l'intérieur de la veine de métal liquide, donc de P, entraîne l'augmentation de V vitesse d'écoulement du jet, étant donné la constance de H (les paramètres p et g restant inchangés); l'augmentation de V entraîne la diminution de S car le débit Q est constant; or, S est justement la section du jet.
  • Dans le cas des fréquences élevées brevet FR-A-2.316.026), on ne peut annuler la surpression d'origine électromagnétique qu'en annulant le champ magnétique lui-même soit au moyen d'un écran, soit au moyen d'une seconde bobine alimentée par un courant de sens opposé à celui parcourant la première bobine. Au contraire, la mise en oeuvre d'un courant altematif de basse fréquence parcourant la bobine qui réalise la surpression à l'intérieur de la veine de métal liquide permet de faire disparaître cette surpression sans annuler le champ magnétique par réduction à zéro de son efficacité.
  • Dans le cas où la profondeur de la pénétration & du champ magnétique dans une veine de métal liquide est inférieure au rayon de celle-ci, il apparaît une surpression
    Figure imgb0014
    au centre du métal liquide (si B. désigne la valeur efficace du champ magnétique à la surface de la veine) puisque le champ magnétique est parfaitement nul au centre de la veine. Par contre, si la profondeur de pénétration à est supérieure au rayon de la veine métallique, le champ magnétique a une intensité B. non nulle sur l'axe de celle-ci. La surpression qui apparaît alors dans la veine métallique s'écrit:
    Figure imgb0015
    ce qui correspond à une baisse d'efficacité du champ magnétique.
  • Si on suppose que la profondeur de pénétration 5 est juste égale au rayon R de la veine métallique non contractée, le champ magnétique étant nul au centre de la veine, il apparaît, immédiatement au-dessous de l'arête inférieure de l'écran, une surpression électromagnétique
    Figure imgb0016
    Si une amorce de contraction de la veine métallique se produit à l'amont de cette zone (et elle se produira nécessairement à cause de l'effet de traction de la pesanteur combiné à la décroissance magnétique à l'extérieur de la bobine et aux instabilités qui existent à la surface du jet), la profondeur de pénétration devient localement supérieure au rayon de la veine métallique et l'efficacité du champ magnétique diminue, puisque Ba cesse d'être nul. Il en résulte une diminution de pression dans le jet, ce qui conduit à une augmentation locale de vitesse et à une augmentation de la contraction d'origine. Le processus continue et la contraction affecte la totalité du jet. Le joint de décollement remonte alors dans la bobine où, à cause de l'uniformité du champ magnétique, il ne peut se fixer de façon stable, pour s'immobiliser au niveau de l'arête inférieure de l'écran au-delà de laquelle la nullité du champ magnétique l'obligerait à redescendre.
  • Le phénomène est tout à fait réversible et peut conduire au gonflement d'une veine de métal liquide libre qui loin à l'amont de la bobine ne ressent pas le champ magnétique et voit sa pression augmenter à mesure qu'elle se rapproche de celle-ci. Cette augmentation de pression entraîne une diminution de vitesse et par conséquent, une augmentation de section. Un tel gonflement est utilisé dans la réalisation du joint électromagnétique pour faire recoller aux parois la veine métallique confinée à l'amont (cas de la figure 4).
  • Pour un champ magnétique de valeur efficace B. et un jet de métal de vitesse initiale Vo la contraction α (respectivement le gonflement
    Figure imgb0017
    rapport des diamètres après et avant contraction (respectivement gonflement) est donnée par:
    Figure imgb0018
  • Le coefficient Cf tient compte du fait que, contrairement au cas des hautes fréquences, le rapport de la profondeur de pénétration au rayon R de la veine métallique avant confinement n'est pas très faible devant l'unité. Par suite, la pression moyenne dans une section de la veine métallique ne peut plus être assimilée à:
    Figure imgb0019
    Figure imgb0020
    où Rω = 27πµσfR2.
  • A titre d'exemple, les deux tableaux ci-après donnent les valeurs du coefficient de contraction α et du coefficient de réduction de débit
    Figure imgb0021
    (si p et ϕo désignent respectivement les débits avec et sans champ magnétique), pour une veine d'acier liquide de diamètre initial 40 mm sous une charge de 1 m de liquide, pour différentes valeurs de Bo.
  • Figure imgb0022
  • Les valeurs de Cf, pour ce cas particulier, sont représentées sur la figura 5, sur laquelle on a porté en abscisses les fréquences en kHz et en ordonnées la valeur de Cf, En ce qui concerne la valeur de l'optimum de fréquence, à savoir
    Figure imgb0023
    on va expliquer les raisons de cette valeur en se référant aux figures 6 et 7. On rappelle que cette valeur de fo correspond au cas où à = R.
  • Sur les figures 6 et 7, on a représenté en 21 la paroi périphérique externe du jet 22 de rayon R avec une amorce de contraction d'amplitude ε en 23, l'épaisseur de pénétration δ étant illustrée en 24.
    • 1 °) D'après la courbe de la figure 5 donnant les valeurs de Cf en fonction de la fréquence f, il semblerait légitime de choisir la fréquence f aussi élevée que possible, afin d'augmenter l'efficacité du dispositif en se repprochant au maximum d'un profil de pression uniforme dans la veine métallique (b -+ 0). C'est ce qu'il est souhaitable de faire dans le dispositif "haute fréquence" avec écran. Par contre, dans le dispositif "basse fréquence, c'est le manque d'efficacité locale du champ magnétique qui est mis à profit et conduit à respecter une nouvelle contrainte.
    • 2°) Par contre, si on suppose (figure 6) que la fréquence est telle que δ soit très inférieur à R, à toute amorce de contraction (due par exemple à une perturbation d'amplitude E) correspond (figure 7) la même surpression
      Figure imgb0024
      électromagnétique qui interdit le maintien de la contraction et conduit à un retour au rayon R initial. Ainsi, pour avoir la certitude que toute amorce de contraction s'amplifiera et permettra le confinement par la décroissance de la surpression au niveau de la contraction, il faut respecter la condition δ ≽ R, soit:
      Figure imgb0025
  • Puisque la contrainte du paragraphe 1 impose de prendre f aussi grand que possible, l'optimum de fréquence est donc:
    Figure imgb0026
    qui correspond à 5 = R.
  • Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent de réaliser le confinement des métaux liquides, notamment de l'acier liquide, de l'aluminium liquide ou du cuivre liquide, ainsi que de leurs alliages.
  • Ils permettent de resserrer un jet de métal fondu, notamment d'acier, d'aluminium ou de cuivre, ainsi que de leurs alliages, sortant d'un orifice en réalisant un jet même de petit diamètre (de quelques millimètres).
  • Ils permettent également de réaliser le passage d'un joint.
  • L'invention permet notamment:
    • -d'utiliser un orifice de diamètre relativement grand, c'est-à-dire sans risque de bouchage, pour former un jet de diamètre relativement petit;
    • -de former des billettes de petit diamètre (de quelques mm de diamètre) ou même des fils, en formant un jet de diamètre réduit à la sortie de l'orifice, par exemple d'une poche de coulée;
    • -de réaliser le resserrement d'un jet à un joint entre deux éléments, d'où possibilité de faire passer un métal liquide d'un premier élément à un second élément, sans accrochage aux parois du joint;
    • - de supprimer l'une des étapes des opérations habituelles de filage, grâce à la formation d'un jet de diamètre réduit par rapport au diamètre de l'orifice, ce qui permet de diminuer l'investissement et les frais de fonctionnement d'une installation de tréfilage; on peut ainsi réaliser des ébauches de fils métalliques (fils d'acier et d'aluminium par exemple), des moyens de refroidissement étant prévus pour solidifier le jet contracté;
    • -de résoudre de nombreux problèmes de jonction ou d'étanchéité aux joints, en contrôlant la surface libre du métal liquide dans la région où cette surface est écartée des parois, avec application particulière aux problèmes de jonction posés par l'alimentation des lingotières de coulée continue horizontale des aciers;
    • - de réaliser la régulation du débit d'un jet de métal liquide au niveau d'un orifice de sortie situé à la partie inférieure d'un récipient contenant le métal liquide.
  • On notera la grande souplesse d'adaptation du dispositif selon l'invention à des installations existantes du fait que ce dispositif n'impose aucune géométrie particulière, ni aucune dimension précise à la bobine ou à l'écran.
  • Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes.

Claims (4)

1. Procédé pour confiner un jet (6a, 6b, 16, 22) de métal liquide en créant, sensiblement au niveau où l'on veut réaliser le confinement, une surpression dans le jet au moyen d'au moins une bobine (2a, 2b, 12a) entourant le jet à ce niveau et parcourue par un courant alternatif, caractérisé par le fait que ledit courant alternatif a une fréquence basse (f), inférieure à l'inverse du produit de la perméabilité magnétique (µ) du métal liquide par la conductivité électrique (σm) de ce métal et par le carré du rayon (r) du jet de ce métal après confinement, en unités cohérentes
Figure imgb0027
grâce à quoi on évite la mise en oeuvre d'un écran ou d'une deuxième bobine en opposition pour réaliser la suppression du champ magnétique produit dans ladite au moins une bobine lorsqu'elle est parcourue par ledit courant alternatif.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite fréquence basse (f) a une valeur (fo) sensiblement égale à l'inverse du produit de ladite perméabilité, par ladite conductivité et par le carré du rayon (R) du jet métallique avant confinement, en unités cohérentes
Figure imgb0028
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que, pour réaliser le passage d'un joint (11 c), il met en oeuvre une seconde bobine (12b) entourant le jet (16), cette seconde bobine étant disposée sous la première bobine (12a) dans le sens d'écoulement du jet (X → X'), les deux bobines étant disposées de part et d'autre du joint et étant parcourues par des courants alternatifs de même fréquence, constamment en opposition de phase.
4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait qu'en outre, il met en oeuvre un écran (3b) en une matière conductrice de l'électricité disposé concentriquement à ladite au moins une bobine (2b) et pénétrant à l'intérieur de celle-ci à partir du haut, si on considère le sens de déplacement du jet (X - X').
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