EP0098214A1 - Procédé de brassage électromagnétique des métaux, notamment des aciers, coulés en continu et dispositif de mise en oeuvre - Google Patents

Procédé de brassage électromagnétique des métaux, notamment des aciers, coulés en continu et dispositif de mise en oeuvre Download PDF

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EP0098214A1
EP0098214A1 EP83401299A EP83401299A EP0098214A1 EP 0098214 A1 EP0098214 A1 EP 0098214A1 EP 83401299 A EP83401299 A EP 83401299A EP 83401299 A EP83401299 A EP 83401299A EP 0098214 A1 EP0098214 A1 EP 0098214A1
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EP
European Patent Office
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magnetic field
metal
cast
level
casting
Prior art date
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Ceased
Application number
EP83401299A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Pierre Birat
Jeanne Chone
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Original Assignee
Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
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Filing date
Publication date
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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
    • B22D11/12—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ
    • B22D11/122—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ using magnetic fields
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to the electromagnetic stirring of metals, in particular steels, continuously cast. It is particularly applicable to metals, or steels, having a wide solidification range.
  • the continuous casting operation consists schematically of continuously pouring the molten metal into a bottomless, energetically cooled ingot mold, generally made of copper or copper alloy, from which is extracted, also continuously, a bar having a crust external solidified and whose core still liquid gradually solidifies during its extraction, downstream of the mold, in the area called “secondary cooling" of the casting machine.
  • the distance over which the poured product passes from a completely liquid state (surface of the liquid metal in the mold, or "meniscus") to a completely solidified state (bottom of the solidification well) is usually called "metallurgical height" and this whatever the trajectory of the casting bar, vertical or curved.
  • the object of the present invention is precisely to allow, by continuous casting of steel, or other metal alloys with a large solidification interval, the production of semi-finished products having a low axial segregation, or at least, an axial segregation substantially less than that which would be obtained by the known techniques of continuous casting.
  • the subject of the invention is an electromagnetic stirring process, during the continuous casting of metals, in particular steels having a large solidification interval, according to which the molten molten metal is rotated about the axis.
  • a magnetic field is implemented consisting of a plurality of successive rotating elementary magnetic fields, arranged in a stepped fashion on said portion of the metallurgical height and whose directions of rotation are opposite two by two.
  • the rotating magnetic field is already made to act slightly upstream of said portion of the metallurgical height, in order to compensate for the delay in rotation which the liquid metal opposes due to its inertia.
  • the direction of rotation of the magnetic field is periodically reversed over time.
  • the invention also relates to a continuous casting installation for the implementation of the method, which is characterized in that it comprises, in the secondary cooling zone, a battery of inductors with mobile magnetic field for the mixing of the liquid metal, arranged in a staggered manner, successively one after the other along the metallurgical height, on a portion of the latter extending, at least, from the level at which the liquid core of the cast product reaches the temperature of liquidus of the cast metal, up to the level at which the proportion of solid in the still liquid phase is about 40 ⁇ by weight.
  • the invention consists in its essential characteristics, of brewing the metal when the state of progress of the solidification of the latter gives it a consistency which is not yet completely solid, or more completely liquid and that we will qualify, to fix the idea, of "pasty".
  • the term “paste-like” consistency, zone or solidification is intended to characterize the state of solidification of a continuously cast metal, the enthalpy of which lies between the enthalpy of the completely solid metal and the enthalpy of completely liquid metal.
  • the position and extent of the "pasty" zone are determined from the determination of the temperature of the metal on the casting axis and it is considered that the "pasty" zone is the portion of the metallurgical height between the levels upper and lower temperature corresponding respectively to the liquidus temperature and the solidus temperature of the cast metal.
  • intersections of these two fronts with the pouring axis determine between them, in magnitude and position, the portion of the metallurgical height where solidification of the type takes place. "pasty”, and in which according to the invention, the magnetic field (s) of alternating rotation are acted upon.
  • this pasty solidification zone is characterized by the birth of a solid phase within the liquid phase itself and by the increase in the proportion of this solid phase as the cast product cools down to '' to total solidification corresponding to the closing of the solidification well (intersection of the pouring axis with the ending solidification front).
  • Figure 1 illustrates well what has been said previously about the progress of solidification in continuous casting.
  • the vertical arrow pointing downwards indicates the direction of extraction of the product.
  • the side surface of the product - which is energetically cooled - in 2 the product axis (merged with the pouring axis), in 3 the free surface of the metal in the mold, in 4 the completely liquid metallic phase , in 5 the metal completely solidified and, in 6 and 7, respectively the fronts of starting and ending solidification delimiting between them a zone 8 semi-solid, semi-liquid (whose liquid phase is besides strongly segregated in elements of 'alloy).
  • the beginning solidification front 6 defines, with very good approximation, the isothermal surface of liquidus T L of the cast metal. It is the same for the ending solidification front 7 as regards the solidus temperature T 5 .
  • the intersections of the casting axis 2 respectively with the beginning solidification front 6 and the ending solidification front 7, intersections identified in the figure by the two points T L and T S define between they the portion, denoted ⁇ h of the metallurgical height (denoted ⁇ H) and which, in accordance with the invention, constitutes the field in which the stirring magnetic field or fields are made to act.
  • the graph of FIG. 1 in addition to its purely illustrative role of the phenomena explained above, also reflects the quantitative results obtained during test runs of steels of grade 100 C6 for which the physicochemical data and the operating conditions are recorded. respectively in the tables of values 1 and 2 below.
  • the metallurgical height ⁇ H is approximately 15.5 m and the level of T L has been determined at a height of 4.5 m.
  • We therefore calculate a zone ⁇ h, corresponding to the pasty zone, of length: 15.5 - 4.5 11 m, initiating at 4.5 m under the meniscus 3.
  • the temperature field at any level of the metallurgical height. From, for example, a simple enthalpy diagram - temperature "of the casting grade, it is then easy to construct the curve, referenced 9 in FIG. 1, intermediate between the fronts of finishing and beginning solidification, and representing the place of the points in the liquid phase where the proportion of liquid phase is 40% by weight. More simply, one can be satisfied with determining the point of intersection T. of this curve with the pouring axis 2, this point T i then defining, with the point T L placed upstream, the portion denoted 6h, of the pasty zone ⁇ h, along which, in accordance with the invention, the metal is stirred.
  • the proposed solution consists in electromagnetically mixing the liquid metal in the pasty zone dh, more simply along the portion Sh (fig 1) of this zone, in order to counteract the tendency of the metal to form these segregated channels.
  • the brewing is initiated slightly upstream of the 6 h portion in order to, as already pointed out, to compensate for the delay which the inertia of the liquid metal opposes to the brewing movement, in particular when the brewing consists in making rotate the liquid metal around the casting axis.
  • the inventors have been able to show that it is advantageous to seek a shearing effect of the liquid metal against the solidification front, this effect being obtainable, in accordance with the invention, by means of repetitive reversals of the direction of movement of the stirring magnetic field.
  • FIG. Z shows, in correspondence of scale and dimensions with the diagram of FIG. 1, the location of the stirring inductors for the implementation of the invention according to a variant with successive rotating and alternating magnetic fields along the axis of: oulée.
  • a so-called “vertical” continuous casting installation has been schematically represented (ie entirely straight trajectory of the casting bar) comprising, from the top of the installation, a distributor 10 supplying molten metal continuously, by a pouring jet 11, a bottomless ingot mold 12. From the latter is extracted, also continuously, a bar 13 having a solidified outer crust 5 and the still liquid core 4 of which progressively solidifies during its extraction ( in the direction indicated by the arrow) over the total distance ⁇ H called "metallurgical height".
  • a shear symbolized at 14 cuts the bar by accompanying it in its descent. Once cut, the section is tilted and immediately removed to allow the casting process to continue.
  • the ingot mold 12 is a boxed mold of known type, essentially comprising an internal tubular element 14, made of copper, defining a passage for the cast product and energetically cooled on its external face by a casing of water 15 in upward circulation from a chamber of supply 16 to an upper evacuation chamber 17.
  • the upper evacuation chamber 17 has been sufficiently dimensioned to be able to immerse therein an electromagnetic stirring inductor 18.
  • This inductor the role of this inductor, the presence of which is desirable but in no way essential for the implementation of the invention , will be specified later.
  • the same remark also applies to the inductor 19 placed downstream of the mold and acting, as can be seen, already upstream the pasty solidification zone ⁇ h.
  • a battery of stepped inductors (here three in number) 20, 20 ′, 20 "surrounds the bar cast on the 6h portion of the metallurgical height ⁇ H.
  • These inductors with rotating magnetic field, annular in shape and polyphase static type, are stirring devices electromagnetic known and used in the field of continuous casting. A detailed description can be found, if necessary, by referring, for example, to French patent No. 2,211,305 (CEM).
  • each inductor delivers a rotating magnetic field whose direction of rotation is opposite to that of, or inductors which are immediately adjacent to it.
  • the inductors 20, 20 ′, 20 ′′ deliver magnetic fields rotating in the same direction at the same time, in which case it is advantageous, for the reasons already mentioned, to periodically reverse the direction of rotation of the field.
  • the rule to be observed is that any elementary volume of liquid metal which, during the extraction of the cast product, penetrates into the portion 6h is, before leaving it, subjected to a magnetic field whose direction of rotation reverses at least once.
  • this rule obviously depends on the local operating conditions and, in particular, on the speed of extraction of the cast product, in connection with the length of the brewed portion 6 hours.
  • the minimum residence time of any elementary volume of metal in the stirred portion 6h is therefore approximately 6 and a half minutes.
  • the aforementioned rule is observed if one brews in each direction for example for about 3 minutes, an exposure time of a few tens of seconds. between the two shuffling sequences then being provided for the natural attenuation of the movement before turning back in the direction of circulation.
  • the size of the inductor 19 has been voluntarily reduced compared to that of the inductors 20, 20 ′, 20 ", with the sole aim of clearly differentiating it so as not to harm the understanding of the It is clear that its size, as well as its implementation, can be quite similar to that of the inductors 20.
  • the liquid metal is further subjected. to a stirring already within the mold 12.
  • a stirring already within the mold 12 this can be done using the electromagnetic inductor 18 housed in the upper water chamber 17.
  • the inductor 18, retained in this example is of the polyphase static type surrounding the cast product and delivering a rotating magnetic field. It will be recalled that the production of inductors of this kind, as well as their use within a continuous casting mold as a device for stirring the metal, as well as the favorable results of such stirring on the metallurgical quality of the products obtained, are already part of the known state of the art (aforementioned patents).
  • the originality of the variant of the invention presented here lies in the combination of mixing in an ingot mold and mixing in a pasty zone Ah, leading to a beneficial conjugation of their effects, which are manifested in particular by obtaining a well of shallower solidification and flattened bottom, so that the portion ⁇ h to be brewed is, on the one hand, shortened in height and, on the other hand, widened in section, which goes in the direction of stirring in the times more economical and more efficient.
  • FIGS. 3 are photographic reproductions of "Raumann” impressions made in longitudinal axial section of the cast product (grade 100C6 steel). They illustrate, by highlighting the segregation of sulfur, the comparative metallurgical results obtained between an unmixed product (Figure 3a) and a product brewed, on the one hand, using a permanent rotating magnetic field ( Figure 3b), on the other hand, using an alternating rotating magnetic field ( Figure 3c).
  • the term “at least” should be understood as used above in the expression “... it is important that the liquid metal be brewed ... at least in the 6h portion ... ", the possibility, not only to initiate brewing upstream of this portion to compensate for the inertia of the metal, but also to continue the brewing action downstream of the level Ti on the metallurgical height where the proportion by weight of solid in the liquid phase reaches 40%. It will be understood, however, that there is little point, in the context of the results targeted by the invention, of continuing to be stirred up to the close vicinity of the bottom Ts of the solidification well.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)

Abstract

Procédé selon lequel on soumet le métal coulé à une action de brassage à l'aide d'un champ magnétique mobile, tournant autour de l'axe (2) du produit coulé, et agissant en aval de la lingotière (12), et qui se caractérise en ce qu'on applique le champ magnétique au moins sur une portion (δh) de la hauteur métallurgigue (ΔH) comprise entre le niveau TL où le coeur (4) encore liquide atteint la température de liquidus et le niveau Ti où la proportion de solide dans la phase liquide atteint environ 40% en poids. En outre, on inverse périodiquement le sens de rotation du champ magnétique, ce qui peut avantageusement être réalisé à l'aide d'une batterie d'inducteurs électromagnétiques (20, 20', 20") délivrant des champs magnétiques tournant dans des sens opposés deux à deux. L'invention permet d'améliorer la qualité interne des produits coulés, notamment sur le plan de la ségrégation centrale. Elle s'applique en particulier à la coulée continue des aciers, ou autres alliages métalliques, présentant un large intervalle de solidification.

Description

  • La présente invention concerne le brassage électromagnétique des métaux, notamment des aciers, coulés en continu. Elle s'applique particulièrement aux métaux, ou aciers, présentant un large intervalle de solidification.
  • On sait que l'opération de coulée continue consiste schématiquement à déverser en continu le métal en fusion dans une lingotière sans fond, énergiquement refroidie, généralement en cuivre ou alliage de cuivre, de laquelle on extrait, également en continu, une barre présentant une croûte extérieure solidifiée et dont le coeur encore liquide achève de se solidifier progressivement au cours de son extraction, en aval de la lingotière, dans la zone dite "du refroidissement secondaire" de la machine de coulée. La distance sur laquelle le produit coulé passe d'un état totalement liquide (surface du métal liquide en lingotière, ou "ménisque") à un état complètement solidifié (fond du puits de solidification) est habituellement dénommée "hauteur métallurgique" et ceci quelque soit la trajectoire de la barre coulée, verticale ou courbe.
  • On sait également que l'on améliore la qualité métallurgique des produits obtenus, tant sur le plan de la propreté inclusionnaire que sur celui de la structure de solidification, grâce à un brassage contrôlé du métal en fusion en cours de coulée. Par exemple, pour les produits longs en particulier (billettes, blooms ..), il est connu que ce brassage s'effectue avantageusement par mise en rotation du métal liquide au moyen d'un champ magnétique mobile, tournant autour de l'axe de coulée et agissant dans la zone du refroidissement secondaire (brevet français n° 2.236.584 de l'IRSID), ou au niveau de la lingotière (brevets français n° 2.279.500 d'USINOR, n° 2.315.344 de l'IRSID, n° 2.340.789 de l'IRSID), cette dernière disposition présentant l'avantage de pouvoir interrompre rapidement, dès la sortie de la lingotière, la solidification à croissance dendritique (solidification de type "basaltique") commencée en lingotière, au profit d'une solidification "équiaxe", par germination cristalline au sein de la phase liquide.
  • D'un autre côté, certaines nuances d'acier à haute teneur en carbone et faiblement alliées sont très peu coulables en continu à l'heure actuelle, essentiellement en raison des ségré4ations axiales qui sont particulièrement importantes pour les produits longs. Les techniques connues en coulée continue pour atténuer ces défauts (surchauffe faible du métal avant coulée, brassage électromagnétique en lingotière ou dans la zone de refroidissement secondaire, tel qu'évoqué précédement, etc...) semblent, en effet, trouver leur limitation pour ce type d'acier. Ces techniques, valables pour les aciers au carbone (jusqu'à 0,5% de C environ) faiblement alliés ou inoxydables, ne donnent pas des résultats pleinement satisfaisants pour les aciers où la teneur en carbone va au delà de 0,5 Â environ (aciers hyper- péritectiques). L'acier de nuance 100C6, par exemple, destiné à la fabrication de pièces sollicitées en fatigue de contact, concrétise bien les difficultés rencontrées à la coulée continue pour les aciers de ce type.
  • Le but de la présente invention est précisément de permettre, par coulée continue d'acier, ou autres alliages métalliques à large intervalle de solidification, l'obtention de demi-produits présentant une faible ségrégation axiale, ou tout au moins, une ségrégation axiale sensiblement moindre que celle qui serait obtenue par les techniques connues de coulée continue.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de brassage électromagnétique, au cours de la coulée continue des métaux, notamment des aciers présentant un large intervalle de solidification, selon lequel on met le métal liquide coulé en rotation autour de l'axe de coulée à l'aide d'un champ magnétique tournant autour dudit axe et qui agit en aval de la lingotière dans la zone de refroidissement secondaire de la machine de coulée, procédé caractérisé en ce que l'on applique le champ magnétique tournant sur une portion de la hauteur métallurgique comprise, au moins, entre le niveau où le coeur encore liquide du produit coulé atteint la température de liquidus du métal coulé et le niveau où ledit coeur présente une proportion de solide de la phase liquide de l'ordre de 40 % en poids environ et en ce que l'on règle l'action du champ magnétique de façon que le métal soit soumis, au cours de la coulée, à un champ magnétique tournant de sens de rotation accelérée.
  • Selon une variante, on met en oeuvre un champ magnétique constitué par une pluralité de champs magnétiques élémentaires tournants, successifs, disposés de façon étagée sur ladite portion de la hauteur métallurgique et dont les sens de rotation sont opposés deux à deux.
  • De préférence, on fait déjà agir le champ magnétique tournant légèrement en amont de ladite portion de la hauteur métallurgique, afin de pallier le retard à la rotation qu'oppose le métal liquide en raison de son inertie.
  • En variante encore, on inverse périodiquement dans le temps le sens de rotation du champ magnétique.
  • L'invention a également pour objet une installation de coulée continue pour la mise en oeuvre du procédé, qui se caractérise en ce qu'elle comporte, dans la zone de refroidissement secondaire, une batterie d'inducteurs à champ magnétique mobile pour le brassage du métal liquide, disposés de façon étagée, successivement les uns à la suite des autres le long de la hauteur métallurgique, sur une portion de cette dernière s'étendant, au moins, depuis le niveau auquel le coeur liquide du produit coulé atteint la température de liquidus du métal coulé, jusqu'au niveau auquel la proportion de solide dans la phase encore liquide est d'environ 40 Â en poids.
  • Comme on le comprend, l'invention consiste dans ses caractéristiques essentielles, à brasser le métal lorsque l'état d'avancement de la solidification de ce dernier lui confère une consistance qui n'est pas encore complètement solide, ni plus tout à fait liquide et que l'on qualifiera, pour fixer les idée, de "pâteuse".
  • Selon une définition plus précise, on entend caractériser par consistance, zone ou solidification "pâteuse", l'état de solidification d'un métal coulé en continu dont l'enthalpie se situe entre l'enthalpie du métal totalement solide et l'enthalpie du métal complètement liquide. On détermine la position et l'étendue de la zone "pâteuse" à partir de la détermination de la température du métal sur l'axe de coulée et on considère que la zone" pâteuse" est la portion de la hauteur métallurgique comprise entre les niveaux de température supérieure et inférieure correspondant respectivement à la température de liquidus et à la température de solidus du métal coulé.
  • Pour bien comprendre ce qui précède, il faut garder à l'esprit que la solidification d'un acier coulé en continu progresse de la périphérie vers l'axe du produit, non pas selon un front bien plan séparant la phase liquide de la phase solide, mais selon une surface très accidenté à petite échelle, formée de pics (dendrites) et de creux. Ces pics et creux définissent deux fronts successifs progressant ensemble : respectivement un front dit "solidification commençante" et représentant l'enveloppe passant par les sommets des pics et un front dit "de solidification finissante" représentant l'enveloppe passant par la base des creux. Les intersections de ces deux fronts avec l'axe de coulée (lequel se confond d'ailleurs avec l'axe du produit) déterminent entre elles, en grandeur et en position, la portion de la hauteur métallurgique où s'opère la solidification de type "pâteuse", et dans laquelle conformément à l'invention, on fait agir le ou les champs magnétiques de brassage à rotation alternée.
  • Il doit être souligné que cette zone de solidification pâteuse se caractérise par la naissance d'une phase solide au sein même de la phase liquide et par la progression de la proportion de cette phase solide au fur et à mesure du refroidissement du produit coulé, jusqu'à la solidification totale correspondant à la fermeture du puits de solidification (intersection de l'axe de coulée avec le front de solidification finissante).
  • A mesure que progresse la proportion de solide dans la phase liquide, il se forme dans le puits de solidification un agrégat de cristaux de plus en plus dense jusqu'à réaliser une sorte de squelette quasi-rigide, conférant à la masse hétérogène liquide-solide une pseudo-viscosité très élevée, voisine de celle d'un solide. Il est aisé de comprendre que ce "squelette" finit par atteindre un degré de rigidité tel qu'il devient alors inutile, voire irréalisable, avec les moyens électromagnétiques disponibles actuellement, de brasser le métal.
  • Les inventeurs ont trouvé que l'on pouvait considérer qu'une telle immobilité est atteinte lorsque la proportion de la fraction solide dans la matrice liquide atteint environ 40 % en poids et qu'il était par conséquent suffisant de limiter le brassage à cette valeur et généralement superflu de prolonger au delà de 60 %.
  • L'invention sera mieux comprise, et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit, donnée en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles :
    • - la figure 1 représente très schématiquement, en demi-coupe longitudinale, la progression de la solidification d'un acier coulé en continu,
    • - la figure 2 représente une vue schématique en coupe axiale d'une installation de coulée continue équipée des moyens de l'invention,
    • - les figures 3a, 3b et 3c sont des reproductions de clichés d'analyse métallographique (empreintes Baumann) d'un acier coulé en continu vu en coupe longitudinale partielle, et correspondant respectivement à un produit de référence non brassé (figure 3a), un produit brassé à l'aide d'un champ magnétique tournant permanent (figure 3b), et un produit brassé à l'aide d'un champ magnétique tournant avec inversion alternative du sens de rotation (figure 3c).
  • La figure 1 illustre bien ce qui a été dit précédemment à propos de la progression de la solidification à la coulée continue. Sur cette coupe longitudinale axiale de la barre coulée, la flèche verticale orientée vers le bas indique le sens d'extraction du produit. On voit en 1 la surface latérale du produit -qui est énergiquement refroidie-, en 2 l'axe du produit (confondu avec l'axe de coulée), en 3 la surface libre du métal en lingotière, en 4 la phase métallique complètement liquide, en 5 le métal complètement solidifié et, en 6 et 7, respectivement les fronts de solidification commençante et finissante délimitant entre-eux une zone 8 mi-solide, mi-liquide (dont la phase liquide est d'ailleurs fortement ségrégée en éléments d'alliage). C'est précisément cette zone 8, dont la consistance rappelle à certains égards celle d'une éponge, que l'on qualifie de "pâteuse". En outre, le front de solidification commençante 6 définit, avec une très bonne approximation, la surface isotherme de liquidus TL du métal coulé. Il en est de même du front de solidification finissante 7 pour ce qui concerne la température de solidus T5. Comme on l'a déjà dit, les intersections de l'axe de coulée 2 respectivement avec le front de solidification commençante 6 et le front de solidification finissante 7, intersections repérées sur la figure par les deux points TL et TS, définissent entre-elles la portion, notée ¿h de la hauteur métallurgique (notée ΔH) et qui, conformément à l'invention, constitue le domaine dans lequel on fait agir le ou les champs magnétiques de brassage.
  • Le graphe de la figure 1, outre son rôle purement illustratif des phénomènes explicités ci-avant, reflète également les résultats quantitatifs obtenus lors de coulées d'essais d'aciers de nuance 100 C6 dont les données physico-chimiques et les conditions opératoires sont consignées respectivement dans les tableaux de valeurs 1 et 2 ci-après.
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
  • Dans ces conditions, la hauteur métallurgique ΔH est de 15,5 m environ et le niveau de TL a été déterminé à la cote 4,5 m. On calcule donc une zone Δh, correspondant à la zone pâteuse, de longueur : 15,5 - 4,5 = 11 m, s'initiant à 4,5 m sous le ménisque 3.
  • En outre, à l'aide d'un modèle thermique de solidification résolvant l'équation de diffusion de la chaleur en régime transitoire, on peut calculer le champ des températures à tout niveau de la hauteur métallurgique. A partir, par exemple, d'un simple diagramme "enthalpie - température" de la nuance coulée, il est alors aisé de construire la courbe, référencée 9 sur la figure 1, intermédiaire entre les fronts de solidification finissante et commençante, et représentant le lieu des points dans la phase liquide où la proportion de phase liquide est de 40% en poids. Plus simplement, on peut se contenter de déterminer le point d'intersection T. de cette courbe avec l'axe de coulée 2, ce point Ti définissant alors, avec le point TL placé en amont, la portion notée 6h, de la zone pâteuse Δh, le long de laquelle, conformément à l'invention, le métal est brassé.
  • Comme on le voit sur la figure, dans le cas d'un acier de nuance 100C6 coulé dans les conditions précisées auparavant, le point Ti, définit le point de température à 1430°C sur l'axe de coulée, et se situe à 9 m sous le ménisque. Il délimite ainsi avec le point TL, une portion 6h à brasser de longueur 9-4,5 = 4,5 m environ, depuis la cote à 4,5 m sous le ménisque 3.
  • Bien entendu, les informations précédentes sur le mode de détermination du point Ti sur l'axe de coulée ne sont données qu'à titre purement indicatif et illustratif. D'autres méthodes existent, qui sont connues de l'homme de métier métallurgiste et qui entrent tout-à-fait dans son domaine de compétence. Ainsi par exemple, si l'on souhaite une détermination plus précise de la cote de Ti, on peut, au lieu d'utiliser la courbe enthalpique, faire appel au diagramme de phases de la nuance coulée, associé à la relation de SCHEIL-GULLIVER reliant, pour chaque valeur de la température, la fraction solide à sa 5concentration au sein de la phase liquide. Cette méthode pourra d'ailleurs être avantageusement utilisée dans le cas de nuances à très larges intervalles de solidification pour lesquelles, on le sait, le diagramme enthalpique, construit par interpolation linéaire entre TL et Ts, ne fournit pas toujours la précision souhaitée.
  • Ceci étant, on va maintenant apporter quelques commentaires supplémentaires sur les considérations à l'origine de l'invention.
  • Le liquide séqrégé en éléments d'alliage qui se forme au front de solidification (on considère ici un front moyen unique) a tendance, par densité, à descendre vers le fond du puits de solidification. Il 5 s'établit par ce phénomène une convection naturelle du liquide dans la zone pâteuse et dont l'ampleur dépend notamment de L 3, où L est le nombre de GRASTHOF pour le métal liquide coulé. Or, on sait que L est d'autant plus grand que l'intervalle de solidification du métal est 9 large. On est donc en droit d'admettre que, dans le cas de nuances à large intervalle de solidification, des mouvements de convection importants de la phase liquide s'établissent au sein du puits de solidification. Comme ce puits s'enrichit en cristaux équiaxes au fur-et-à-mesure qu'on s'approche du fond, les liquides ségrégés, qui percolent entre ces cristaux en circulant à fort débit, ont tendance à fondre les cristaux à leur contact. Il se forme ainsi des zones de passages priviligiés, que l'on dénomme généralement "canaux". Etant donné que les liquides ségrégés circulent du haut vers le bas et de la périphérie vers le centre du produit coulé en s'enrichissant en éléments agrégés, ces canaux apparaissent en forme de "V" successifs avec un collecteur central dans l'axe du produit et sont directement à l'origine des problèmes de qualité interne évoqués au début.
  • Le résultat premier recherché par l'invention est précisément, comme on l'aura déjà compris, de supprimer les velléités des liquides fortement ségrégés à circuler dans les canaux qu'ils forment dans le puits de solidification. Pour y parvenir, la solution proposée consiste à brasser électromagnétiquement le métal liquide dans la zone pâteuse dh, plus simplement le long de la portion Sh (fig 1) de cette zone, afin de contrecarrer la tendance du métal à former ces canaux ségrégés. De préférence, on initie le brassage légèrement en amont de la portion 6h afin, comme on l'a déjà souligné, de compenser le retard qu'oppose l'inertie du métal liquide au mouvement de brassage, notamment lorsque le brassage consiste à faire tourner le métal liquide autour de l'axe de coulée.Par ailleurs, les inventeurs ont pu montrer qu'on a avantage à rechercher un effet de cisaillement du métal liquide contre le front de solidification, cet effet pouvant être obtenu, conformément à l'invention, au moyen d'inversions répétitives du sens de déplacement du champ magnétique de brassage.
  • Selon deux variantes de mise en oeuvre de l'invention, ces inversions peuvent être réalisées, soit dans le temps, soit dans l'espace:
    • dans le temps, notamment à l'aide d'un inducteur de brassage à champ magnétique alterné, cet inducteur pouvant être du type monobloc couvrant toute la portion 6h voulue, ou constitué d'une succession d'inducteurs autonomes synchronisés,
    • dans l'espace (i.e. le long de l'axe de coulée) à l'aide d'une batterie d'inducteurs successifs, couvrant la portion 6h et délivrant des champs magnétiques mobiles dans des
  • La figure z montre, en correspondance d'écnelle et de cotes avec le diagramme de la figure 1, l'implantation des inducteurs de brassage pour la mise en oeuvre de l'invention selon une variante à champs nagnétiques tournants successifs et alternés le long de l'axe de :oulée. Sur cette figure 2, on a schématiquement représenté une installation de coulée continue dite "verticale" (i.e. trajectoire entièrement droite de la barre coulée) comprenant, depuis le sommet de l'installation, un répartiteur 10 alimentant en métal en fusion et en continu, par un jet de coulée 11, une lingotière sans fond 12. De cette dernière est extraite, également en continu, une barre 13 présentant une croûte extérieure solidifiée 5 et dont le coeur 4 encore liquide achève de se solidifier progressivement au cours de son extraction (dans le sens indiqué par la flèche) sur la distance totale ΔH appellée "hauteur métallurgique". En aval du point marquant la fin de solidification (fermeture du puits de solidification) - point T s sur la figure 1 - une cisaille symbolisée en 14 tronçonne la barre en l'accompagnant dans sa descente. Le tronçon une fois découpé est basculé puis évacué immédiatement pour permettre la continuité du processus de coulée.
  • La lingotière 12 est une lingotière caissonnée de type connu, comprenant essentiellement un élément tubulaire interne 14, en cuivre, jéfinissant un passage pour le produit coulé et énergiquement refroidi sur sa face extérieure par une enveloppe d'eau 15 en circulation ascendante depuis une chambre d'alimentation 16 vers une chambre d'évacuation supérieure 17.
  • Comme on le voit, la chambre d'évacuation supérieure 17 a été suffisamment dimensionnée pour pouvoir y immerger un inducteur électromagnétique de brassage 18. Le rôle de cet inducteur, dont la présence est souhaitable mais nullement indispensable pour la mise en oeuvre de l'invention, sera précisé ultérieurement. La même remarque vaut également pour l'inducteur 19 placé en aval de la lingotière et agissant, comme on le voit, déjà en amont la zone de solidification pâteuse Δh.
  • Conformément à une caractéristique essentielle de l'invention une batterie d'inducteurs étagés (ici au nombre de trois) 20, 20', 20" entoure la barre coulée sur la portion 6h de la hauteur métallurgique ΔH. Ces inducteurs à champ magnétique tournant, de forme annulaire et de type statique polyphasé, sont des dispositifs de brassage électromagnétique connus et utilisés dans le domaine de la coulée continue. On pourra, au besoin, en trouver une description détaillée en se reportant, par exemple, au brevet français n° 2.211.305 (CEM).
  • Selon l'invention, chaque inducteur délivre un champ magnétique tournant dont le sens de rotation est opposé à celui du, ou des inducteurs qui lui sont immédiatement voisins. Cette disposition, comme on l'a déjà expliqué, permet d'améliorer les résultats obtenus par rapport à un champ tournant uniforme sur toute la portion de brassage 6h.
  • Dans une autre variante, les inducteurs 20, 20', 20" délivrent des champs magnétiques tournant dans le même sens au même moment, auquel cas on a avantage, pour les raisons déjà évoquées, d'inverser périodiquement le sens de rotation du champ. A cet égard, la règle à respecter est que tout volume élémentaire de métal liquide qui, au cours de l'extraction du produit coulé, pénètre dans la portion 6h soit, avant d'en sortir, soumis à un champ magnétique dont le sens de rotation s'inverse au moins une fois.
  • L'application de cette règle depend bien entendu des conditions locales d'exploitation et, notamment, de la vitesse d'extraction du produit coulé, en liaison avec la longueur de la portion brassée 6h. Ainsi dans l'exemple considéré où la vitesse d'extraction est de 0,7 n/mn et .6h de 4,5 m, le temps de séjour minimal de tout volume élémentaire de métal dans la portion brassée 6h est donc d'environ 6 minutes et demie. Dans ces conditions, la règle précitée est respectée si l'on brasse dans chaque sens par exemple durant 3 mn environ, un temps de pose de quelques dizaines de sec. entre les deux séquences de brassage étant alors prévu pour l'atténuation naturelle du mouvement avant de rebrousser de sens de circulation. Rien entendu, on peut diminuer la durée de chaque séquence, ce qui a pour effet de multiplier le nombre d'inversions du champ pendant le temps de séjour du métal dans la portion 6h et, par conséquent, d'augmenter l'effet de cisaillement recherché. On comprend, cependant, qu'il n'est pas souhaitable de réduire la durée des séquences de brassage en-dessous d'un certain seuil, (généralement de l'ordre de 20 à 40 sec. selon les conditions d'exploitation), à partir duquel l'action du champ n'est plus suffisamment entretenue pour vaincre l'inertie de la masse liquide à brasser.
  • A ce titre, il est tout-à-fait avantageux, ainsi que le montre la figure 2, de prévoir, juste en amont de la portion δh, l'inducteur ie brassage supplémentaire 19, dont le champ magnétique produit tourne en synchronisme avec celui délivré par l'inducteur 20 afin précisément de pallier la résistance au mouvement qu'oppose le métal liquide et assurer de cette manière une mise en rotation de celui-ci déjà à l'entrée de la zone à brasser 6h.
  • On souligne que, sur la figure 2, la taille de l'inducteur 19 a été volontairement réduite comparativement à celle des inducteurs 20, 20',20", dans le seul but de bien le différencier pour ne pas nuire à la compréhension de l'invention. Il est clair que sa taille, de même d'ailleurs que sa réalisation, peuvent être tout-à-fait semblables à celles des inducteurs 20.
  • Il va de soi que ce qui vient d'être dit au sujet des inversions périodiques du champ magnétique peut être réalisé, non seulement avec la batterie d'inducteurs structurellement indépendants, 20, 20', 20", mais également avec un inducteur unique suffisamment dimensionné pour que sa longueur utile d'entrefer (hauteur d'action du champ) puisse couvrir la portion δh. On comprend cependant qu'une batterie d'inducteurs indépendants sera souvent préférée, pour de simples raisons de commodité, lorsque la portion 6h à brasser présente une trajectoire courbe.
  • Conformément à une mise en oeuvre préférée de l'invention, on soumet en outre le métal liquide. à un brassage déjà au sein même de la lingotière 12. Comme le montre la figure 2, ceci peut se faire à l'aide de l'inducteur électromagnétique 18 logé dans la chambre d'eau supérieure 17. L'inducteur 18, retenu dans cet exemple, est du type statique polyphasé entourant le produit coulé et délivrant un champ magnétique tournant. On rappelle que la réalisation d'inducteurs de ce genre, de même que leur utilisation au sein d'une lingotière de coulée continue en tant que dispositif de brassage du métal, ainsi que les résultats favorables d'un tel brassage sur la qualité métallurgique des produits obtenus, font déjà partie de l'état connu de la technique (brevets précités). L'originalité de la variante de l'invention exposée ici réside dans la combinaison du brassage en lingotière et du brassage en zone pâteuse Ah, conduisant à une conjugaison bénéfique de leurs effets, lesquels se manifestent notamment par l'obtention d'un puits de solidification moins profond et à fond aplati, de sorte que la portion δh à brasser se trouve, d'une part, raccourcie en hauteur et, d'autre part, élargie en section, ce qui va dans le sens d'un brassage à la fois plus économique et plus efficace.
  • Par ailleurs, on est en droit d'admettre également une efficacité accrue du brassage dans la zone 6h, à l'encontre de la formation des canaux ségrégés, par le fait que le métal liquide mis en circulation est chargé en particules solides qui, grâce à l'action de brassage en lingotière, ont pris naissance en amont de la zone 6h par élagage des têtes de dendrites, ou par germination cristallique au sein de la phase liquide 4.
  • La modification du profil du puits de solidification occasionnée par la mise en service de l'inducteur 18 au sein de la lingotière n'a pas été représentée sur la figure 2 pour ne pas la surcharger inutilement.
  • Les figures 3 sont des reproductions photographiques d'empreintes "Raumann" effectuées en coupe axiale longitudinale du produit coulé (acier de nuance 100C6). Elles illustrent, par mise en relief de la ségrégation du soufre, les résultats métallurgiques comparatifs obtenus entre un produit non brassé (figure 3a) et un produit brassé, d'une part, à l'aide d'un champ magnétique tournant permanent(figure 3b), d'autre part, à l'aide d'un champ magnétique tournant alterné (figure 3c).
  • On se rend bien compte que les canaux ségrégés 21 (en noir) en forme de "V" ainsi que le collecteur central 22, très accusés sur la figure 3a, sont nettement atténués lorsque le métal est brassé dans la zone 6h conformément à l'invention (figure 3b) et pratiquement absents - ou tout au moins sans conséquences sensibles sur la qualité du produit - lorsque le sens de rotation du champ magnétique est alterné (figure 3c).
  • On notera sur les figures 3b et 3c la présence de bandes latérales claires 23, donc très appauvries en éléments ségrégés, et qui, comme on le sait, sont très caractéristiques des produits brassés coulés en continu. On sait aussi que la localisation de ces bandes 23, habituellement dénommée "zones blanches", ainsi que leur épaisseur, peuvent être reliées d'une certaine manière à la localisation et à l'étendue de l'action de brassage sur la hauteur métallurgique.
  • Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples décrits, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents des la mesure où sont respectées les caractéristiques énoncées dans les revendications jointes.
  • Ainsi, il faut entendre par le vocable "au moins" utilisé ci-avant dans l'expression "...il importe que le métal liquide soit brassé... au moins dans la portion 6h...", la possibilité, non seulement d'initier le brassage en amont de cette portion pour compenser l'inertie du métal, mais également de poursuivre l'action de brassage en aval du niveau Ti sur la hauteur métallurgique où la proportion pondérale de solide dans la phase liquide atteint 40%. On aura compris cependant, qu'il n'y a guère d'intérêt, dans le cadre des résultats visés par l'invention, de continuer à brasser jusqu'au proche voisinage du fond Ts du puits de solidification.
  • En fait, les essais ont montré qu'on ne décèle plus d'amélioration significative de la qualité interne du produit lorsqu'on prolonge le brassage au-delà du niveau où la proportion solide/liquide est d'environ 60% en poids et que l'essentiel de cette amélioration est obtenue, comme le montre notamment la figure 3c, lorsqu'on atteint une proportion de 40% environ.

Claims (10)

1°) Procédé de brassage électromagnétique des métaux, notamment jes aciers, coulés en continu, procédé selon lequel on met le métal liquide coulé en rotation autour de l'axe de coulée à l'aide d'un champ nagnétique tournant autour dudit axe et qui agit en aval de la lingotière, dans la zone du refroidissement secondaire de la machine de coulée, et caractérisé en ce que l'on applique le champ magnétique tournant au moins sur une portion (6h) de la hauteur métallurgique (ΔH), comprise entre le niveau (TL) où le coeur (4) encore liquide du produit coulé atteint sur l'axe de coulée (2) la température de liquidus du métal coulé et le niveau (Ti) où ledit coeur présente une proportion de solide dans la phase liquide de l'ordre de 40% en poids environ, et en ce que l'on règle l'action du champ magnétique de façon que le métal soit soumis, au cours de la coulée, à un champ magnétique tournant de sens de rotation alternée.
2°) Procédé, selon la revendication 1 caractérisé en ce que, dans le but de compenser le retard au mouvement qu'oppose le métal liquide en raison de son inertie, l'on initie l'action du champ magnétique mobile déjà en amont du niveau (TL) auquel le coeur liquide (4) atteint sur l'axe (2) la température de liquidus du métal coulé.
3°) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on inverse périodiquement le sens de déplacement du champ magnétique.
4°) Procédé selon les revendications 1 ou 3 caractérisé en ce que l'on met en oeuvre un champ magnétique mobile, constitué par une pluralité de champs magnétiques élémentaires s'étageant sur la hauteur métallurgique et dont les sens de déplacement sont opposés deux à deux.
5°) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on brasse le métal liquide coulé déjà au sein même de la lingotière.
6°) Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'on réalise ledit brassage en faisant agir un champ magnétique mobile au niveau de la lingotière.
7°) Installation de coulée continue des métaux pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 et 4 caractérisée en ce qu'elle comprend, dans la zone du refroidissement secondaire, une batterie d'inducteurs à champs magnétiques tournants (20, 20', 20"), qui entourent le produit coulé et qui sont disposés de façon étagée le )long de la hauteur métallurgique (eH) sur une portion (6h) de celle-ci s'étendant, au moins, depuis le niveau auquel le coeur liquide (4) du produit coulé (13) atteint sur l'axe de coulée (2) la température de liquidus (T1) du métal coulé, jusqu'au niveau (Ti) auquel la proportion de solide dans la phase encore liquide est d'environ 40% en poids.
8°) Installation de coulée continue selon la revendication 7 caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un inducteur de brassage (19) disposé dans le prolongement supérieur de la batterie d'inducteurs (20, 20', 20").
9°) Installation de coulée continue selon les revendications 7 ou 8 caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un inducteur de brassage (18) disposé au niveau de la lingotière (12).
10°) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'on l'applique à la coulée continue des métaux, notamment des aciers, présentant un large intervalle de solidification.
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