EP1677928B1 - Electromagnetic agitation method for continuous casting of metal products having an elongate section - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to the continuous casting of metals, especially steel. It relates more particularly to the electromagnetic stirring of products with an elongate cross-section during casting, and even more specifically the establishment, within the still-in-liquid portion of the cast metal, of a particular distribution of the flows in the casting. magnetic fields applied.
- MHD Magneto-HydroDynamic
- the movements printed to the molten metal during the continuous casting can schematically be classified into two distinct categories, depending on whether one considers the mold or, below, the stages of the secondary cooling of the casting machine.
- loops 42, 43 are established parallel to the large faces and are arranged according to the height of the product cast on either side of a common transverse driving action zone of the magnetic field, the currents of each loop going up along a small face and descending along the small opposite face.
- Such a movement pattern is conventionally referred to as a "butterfly wing configuration".
- the other, 22, is reflected upwardly so as to bring to the vicinity of the free surface 23 of the ingot mold metal the enthalpy required to avoid freezing phenomena of the cast metal at the meniscus, which are often the cause accidental stops of the casting. It is thus intended to produce in the mold a circulation mode called "double loop", as opposed to the "single loop” mode.
- the latter represented in FIG. 7, first results in a phenomenon of rise of the metal towards the meniscus as soon as it leaves the openings of the nozzle, very often resulting from an injection of argon of anti-capping in the nozzle from the tundish located above. This immediate upward rise then continues by a surface current to each small face and a descent along it. In this way, a cartography of the speeds generally directed downwards in the extraction direction of the product is established relatively quickly in the mold, with the absence of the upper loop 22 for supplying "hot" metal to the meniscus.
- the "double loop” mode is acquired durably during casting only if the casting conditions are suitable (casting speed, slab width, depth of immersion of the casting nozzle, argon flow anti-capping, etc ). Random transitions in "single-loop” mode may occur during casting even if these conditions fluctuate, which is in fact the general case.
- the present invention is precisely to overcome such a handicap.
- the invention aims, by means of a studied overall stirring movement of the molten metal according to the metallurgical height, to provide a good exchange of the metal still liquid in both directions between the zone of the secondary cooling and the mold.
- both thermal and chemical homogeneity between the top and the bottom of the poured liquid metal well will be achieved without disturbing the flow mode in the mold and, if necessary, without depriving itself of the cumulative beneficial effects thereof. mixing in the mold and stirring in the secondary cooling respectively.
- An additional object of the invention is to contribute to the improvement of the metallurgical quality of steel grades which are in search of good internal health, such as grades for heavy plate or for large welded tubes, ferritic stainless steels, or electrical silicon steels.
- Another complementary aim is to be able to act on the flows in the secondary to use them at the pouring jets from the nozzle either as an accelerating agent or, on the contrary, as a braking agent for the metal arriving in the mold, or else as a means of counteracting the "left-right" asymmetry of movements of the metal within the mold.
- the subject of the invention is an electromagnetic stirring process in the zone of secondary cooling of a continuous casting plant for slabs, or other similar products with an elongate cross-section, the mold of which is provided with a submerged casting nozzle with lateral outlet openings directed towards the small faces, brewing method implemented using sliding magnetic fields generated by polyphase inductors arranged close to the cast metal, characterized in that one forces, in said zone of the secondary cooling, the establishment of a longitudinal flow of the liquid metal located in the median region of the cast product according to two collinear currents antagonists.
- these two longitudinal antagonistic collinear currents are created in the middle part of the product which move away from each other, so that the two upper lobes which extend in the mold to the level of the jets from the outlets of the outlet of the casting nozzle merge with them in co-current to strengthen them.
- these two longitudinal antagonistic collinear currents are created in the middle part of the product which converge towards one another so that the two upper lobes which extend in the mold to the level of the jets coming from the Outlets of the casting nozzle are superimposed on them against the current to slow them down.
- the location of the longitudinal flow in the secondary towards the one or the other of the small walls of the cast product is shifted laterally in order to counter the tendencies to the "left-right" asymmetry of the movements. metal within the mold.
- the longitudinal metal flow is created in the median region of the cast product in two collinear currents antagonistic using collinear movable magnetic fields sliding longitudinally in said middle region, or approaching one on the other, either by going away.
- the longitudinal metal flow is created in the median region of the cast product in two collinear currents antagonist using collinear moving magnetic fields sliding transversely along the width of the cast product, or by approaching the one from the other from the edge to the center of the cast product, either moving away from each other from the center towards the edge of the cast product.
- the sliding magnetic fields are generated using polyphase linear inductors that are available opposite the large faces of the cast product.
- the inductors are supplied with electric currents of different intensities, in order to regulate differently the action on the two antagonistic collinear metal currents created by the sliding magnetic fields they generate.
- the invention consists, in its main foundations, to create in the secondary cooling zone a stirring cross with two transverse branches and two longitudinal branches.
- the transverse branches (or horizontal if one assumes the vertical axis of casting) develop according to the width of the cast product and the two longitudinal (or vertical) branches develop in the median (most often axial) region of the cast product .
- FIGS. 1 to 4 served to support the presentation of the prior art already made at the beginning of this memoir. We will not come back to this in the following.
- FIGS. 5 to 9 representative of the mode of mixing in the secondary of the invention in these two variants (divergent or convergent in the center), the sliding magnetic fields, just like the linear inductors which produce them, are represented by vertical or horizontal arrows thick.
- the convection movements produced are represented by their main trajectories in the form of arrows carrying arrowheads indicating the direction of movement of the movement on the carrier trajectory.
- the solid lines represent active convection zones, therefore of circulations subjected to the action of sliding magnetic fields.
- the discontinuous lines represent the zones of passive convection, otherwise called recirculation zones, which are necessarily complementary to the previous ones to ensure the closure of the movements.
- a submerged nozzle 4 centered on the casting axis A feeds the molten metal mold from a not shown distributor above.
- This nozzle is provided with lateral outlet openings 5 and 5 'each facing each other of the small walls 3 and 3' respectively.
- the format of the cast product is determined by the internal dimensions of the ingot mold defining the casting space in which the molten metal arrives in the form of jets 7, 7 'coming out of the openings of the nozzle 4 conventionally in a more or less average direction. horizontal, or slightly inclined downward.
- the cast product thus progresses from the top, from the meniscus level 8, downwards, in the direction of extraction of the casting machine, vertically or along a curved path in a plane orthogonal to that of the figure, with an extraction speed (casting speed) usually of the order of one meter per minute.
- an extraction speed usually of the order of one meter per minute.
- it progressively solidifies from its periphery to the center by extraction of its internal heat, first in mold 1 in contact with the cooled copper walls, then in the zone of secondary cooling 2 under the effect watering ramps.
- the metallurgical height (or depth of the solidification well) is conventionally defined as the difference in dimensions on the vertical between the level of the free surface of the molded metal (or meniscus) and that of the bottom of the solidification well. at the bottom of the secondary cooling zone, where the finishing solidification fronts which develop on each of the large faces of the cast product meet as the solidification progresses.
- This cross 9 is a cross with four branches, collinear two by two: two longitudinal branches (here vertical) 10a, 10b, forming a pair aligned on the casting axis A, and two transverse branches (here horizontal) 11a, 11b forming a pair developing according to the width of the cast product.
- the liquid metal flows in opposite directions two by two.
- the circulation of the metal in one pair is the opposite of that of the other pair.
- these branches are connected in some way to each other by recirculation loops to form an overall flow developing in the plane of the large faces of the product.
- the leaves constituting lobes L1, L2, L3, L4, the two upper ones, L1 and L4, extending to the mold at the outlet jets 7 and 7 '.
- the pair of vertical branches is in "divergent" type convection.
- the metal currents move away from each other from the center P.
- One, 10a deflects towards the mold 1 above
- the other, 10b deflects downwards, in the direction of extraction of the poured product, towards the closing point of the solidification well.
- the convection of the metal is then of the "convergent” type: the metal currents confluence towards each other towards the confluence center P by flowing the small lateral faces of the product towards the axis longitudinal A.
- the metal currents forming these branches are created by sliding magnetic fields, themselves generated by linear inductors arranged in close proximity to the cast product facing these large faces (preferably both sides).
- the two pairs of branches are simultaneously activated by the magnetic fields. Only one can be, for example the vertical branches 10a, 10b, the other, 11a, 11b, then naturally becoming the seat of a recirculation reaction, because the center P functions as a current passage node that keeps mass flow rates and momentum, and vice versa.
- the implementation of the invention maximizes the exchange of metallic material between the bottom and the top of the liquid well.
- the loop circulation of the metal in any lobe takes place in a direction of rotation opposite to that which is established in the two nearest nearest lobes.
- the force of the casting jets 7 and 7 ' is then systematically reinforced by the central flow 10a back to co-current, recycle loops L5 and L6 in the mold to the meniscus 8 will be strengthened in turn. Therefore, the "double loop" mode L5, L1, L4 and L6 present within the mold is thus furthermore stabilized.
- the branches 10 and 11 of the stirring cross 9 are generated by the action applied to these places of sliding magnetic fields.
- the lines of force of these are orthogonal to the surface of the cast product, or at least have an orthogonal main component to maximize the electromagnetic coupling with the liquid metal.
- FIG. 7a illustrates a first implementation of the invention according to which two identical linear inductors 12 and 13 are placed horizontally at the same height level on the casting machine (collinear inductors) on either side of the axis of rotation. casting and mounted in opposition so as to create collinear magnetic fields sliding transversely along the width of the cast product, small faces 18, 18 'towards the center.
- These inductors are advantageously dimensioned so as to each generate a sliding magnetic field, along an active convection branch (11a or 11b), of length equal to slightly less than half of the half width of the cast slab 6.
- the driving force of stirring is given by the convergent transverse branches 11a, 11b of the stirring cross, and the longitudinal flow streams 10a, 10b, are then obtained after passage of the confluence point P.
- Figure 7b illustrates a second implementation, equivalent to the previous one as to the effects obtained.
- the collinear linear inductors 14 and 15 mounted in opposition are arranged vertically on the casting axis. In this way, this time activates directly the longitudinal branches 10a and 10b (whose presence within the secondary is at the very base of the invention), the upper inductor 14 then generating a magnetic field sliding up the casting machine towards the mold, the lower inductor 15 producing a field sliding down towards the bottom of the well.
- Figure 8 illustrates a preferred embodiment of the invention. It consists in transforming the upper edge of the upper recirculation lobes L1 and L4 reinforcing the casting jets 7 and 7 'in active convection zones.
- the pair of inductors already present in the secondary cooling are added to create the stirring cross 9, two additional linear inductors 16, 17 with horizontal sliding fields arranged collinearly on either side of the nozzle 4 at the level of metal jets 7 and 7 'emerging from the gills 5 and 5' and co-running with said jets, from the nozzle to the small walls 3, 3 'of the mold 1.
- the effect of convergence between the jets and the central flow up from the bottom is thus further strengthened and, consequently, the local regime type "double loop" in the mold as well.
- FIG. 9 similar to FIG. 5, however, differs essentially from this in that the directions of circulation of the metal in each of the four branches of the cross 9 are reversed.
- This FIG. 9 thus illustrates the second main variant of implementation of the invention which consists in creating longitudinal antagonistic collinear currents 20a, 20b in the median part of the cast product 6 which this time converge towards each other in the direction of the point P so as to provide an overall circulation of the liquid metal which extends in the mold 1 by currents rising along the small faces 18, 18 'to the level of the metal jets 7, 7' from the exit ports 5, 5 'of the nozzle with which they oppose against the current to slow them down.
- a decisive advantage of the invention is to ensure a good up / down exchange in the liquid well while being able to act remotely on the casting jets in the mold, and this by means of a mounting simple and rustic electromagnetic stirring equipment whose components are widely available commercially.
- the invention consists, in short, judiciously use electromagnetic stirring means currently available to achieve in the secondary a cutting in the long direction of the product in two strands juxtaposed and in each strand, install a butterfly wing type brewing configuration. In doing so, we create an overall flow system in the secondary four-lobe whose heart is the stirring cross 9 with its center P.
- this division into two strands will be half width of the cast product, that is to say along the longitudinal axis thereof, because this axis is generally confused with the casting axis.
- the invention provides a total mixing of the metal on the metallurgical height capable of ensuring both thermal and chemical homogeneity between the top and bottom of the liquid well without depriving itself of the beneficial effects specific to ingot brewing and in the secondary cooling respectively, and without disturbing or even stabilizing the local flow mode in the mold.
- linear inductors to be used conventionally have a planar structure, this provision is only preferential.
- Curved inductors can also be used to better match the shape of the slab surface where they are placed on the metallurgical height.
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Abstract
Description
La présente invention a trait à la coulée continue des métaux, notamment de l'acier. Elle concerne plus particulièrement le brassage électromagnétique de produits à section droite allongée en cours de coulée, et plus précisément encore l'établissement, au sein de la partie encore à l'état liquide du métal coulé, d'une distribution particulière des écoulements à l'aide de champs magnétiques appliqués.The present invention relates to the continuous casting of metals, especially steel. It relates more particularly to the electromagnetic stirring of products with an elongate cross-section during casting, and even more specifically the establishment, within the still-in-liquid portion of the cast metal, of a particular distribution of the flows in the casting. magnetic fields applied.
On rappelle que l'on entend par "produit à section droite allongée" des produits métallurgiques dont la largeur est au moins le double de l'épaisseur, notamment les brames, bramettes, brames minces, etc....It is recalled that the term "product with elongated straight section" metallurgical products whose width is at least twice the thickness, including slabs, bramettes, thin slabs, etc ....
Apparu dans le domaine de la coulée continue de l'acier au début des années soixante dix, le brassage électromagnétique s'y est rapidement affirmé comme un outil quasi-incontournable pour la maîtrise des écoulements dans le puits de métal liquide en cours de solidification. On rappelle que le principe le plus couramment mis en oeuvre est celui bien connu de la Magnéto-HydroDynamique (MHD) qui, au moyen d'un champ magnétique mobile (tournant ou glissant) généré par un ou plus généralement plusieurs inducteurs polyphasés disposés au voisinage immédiat du produit coulé, entraîne le métal liquide dans son déplacement. Convenablement placés sur la hauteur métallurgique de la machine de coulée, ces inducteurs, alimentés en courant électrique à fréquence ajustable, permettent alors des modes de brassage variés, adaptables aux besoins du métallurgiste.Appeared in the field of continuous casting of steel in the early seventies, electromagnetic stirring quickly became a tool almost inevitable for the control of the flows in the liquid metal well being solidified. It is recalled that the principle most commonly used is that well known Magneto-HydroDynamic (MHD) which, by means of a movable magnetic field (rotating or sliding) generated by one or more generally several polyphase inductors arranged in the vicinity immediate flow of the cast product, causes the liquid metal in its displacement. Suitably placed on the metallurgical height of the casting machine, these inductors, supplied with adjustable frequency electric current, then allow varied mixing modes, adaptable to the needs of the metallurgist.
Par ailleurs, les progrès constants réalisés dans la compréhension des mécanismes de solidification du métal lors de la coulée continue montrent l'importance que revêtent précisément les mouvements de circulation du métal liquide sur la qualité en général (i.e. santé interne, propreté de surface ou inclusionnaire, structure de solidification, etc...) du produit solidifié obtenu.Moreover, the constant progress made in understanding the solidification mechanisms of the metal during the continuous casting show the importance that precisely the circulation movements of the liquid metal have on the quality in general (ie internal health, surface or inclusion cleanliness). solidification structure, etc.) of the solidified product obtained.
A cet égard, les mouvements imprimés au métal en fusion au cours de la coulée continue peuvent schématiquement se classer en deux catégories distinctes, selon que l'on considère la lingotière ou, en dessous, les étages du refroidissement secondaire de la machine de coulée.In this regard, the movements printed to the molten metal during the continuous casting can schematically be classified into two distinct categories, depending on whether one considers the mold or, below, the stages of the secondary cooling of the casting machine.
Les mouvements imposés au métal liquide au sein de la lingotière, là où la fraction métallique liquide est largement majoritaire, visent pour l'essentiel à un contrôle des écoulements à cet endroit sensible. C'est là en effet que se trouve la surface libre du métal coulé dont la propreté interne par exemple dépend beaucoup de la forme géométrique de cette surface. C'est là aussi que naît en particulier la première peau de solidification dont on sait l'importance majeure de celle-ci tant sur la qualité de surface du produit coulé obtenu que sur la maîtrise du processus de coulée lui-même.The movements imposed on the liquid metal within the mold, where the liquid metal fraction is largely in the majority, are essentially aimed at controlling the flow at this sensitive location. This is indeed the free surface of the cast metal whose internal cleanliness for example depends a lot on the geometric shape of this surface. It is here also that the first solidifying skin is born, whose major importance is known both for the surface quality of the cast product obtained and for the control of the casting process itself.
En revanche, par un brassage du métal dans le puits liquide sous la lingotière, dans la zone du refroidissement secondaire par conséquent (on dit plus couramment "dans le secondaire"), on recherche davantage une amélioration de la structure métallurgique interne du produit via le développement d'une solidification de type équiaxe la plus large possible que l'on sait favorable tant à la microségrégation des éléments d'alliage qu'à l'absence de porosités centrales du produit coulé, notamment. Ainsi, un recours à un brassage électromagnétique en coulée continue de brames est de plus en plus fréquent dès lors qu'il s'agit de réaliser des produits qui exigent une santé interne exempte de porosité, comme les tôles fortes pour plaques de chaudronnerie par exemple ou des gros tubes soudés.On the other hand, by a stirring of the metal in the liquid well under the mold, in the zone of the secondary cooling consequently (it is said more commonly "in the secondary"), one seeks more an improvement of the metallurgical structure. internal of the product via the development of a solidification of the largest possible equiaxe type that is known to be favorable both to the microsegregation of the alloying elements and the absence of central porosity of the cast product, in particular. Thus, recourse to electromagnetic stirring in continuous slab casting is more and more common when it comes to producing products that require internal health free from porosity, such as heavy plate for boiler plates, for example or large welded tubes.
On retiendra simplement ici, pour une meilleure compréhension de l'invention qui sera exposée par la suite, qu'il est bien connu, comme le montre le schéma de la figure 3 ci-jointe venue du document FR 72.20546, de disposer, dans le refroidissement secondaire d'une machine de coulée continue de brames, d'inducteurs linéaires 41, 41' disposés en regard l'un de l'autre, de part et d'autre des grandes faces du produit coulé et produisant des champs magnétiques glissant transversalement selon la largeur de celui-ci. On vise ainsi à établir au sein du métal liquide des écoulements qui, pour l'essentiel, se développent en deux boucles adjacentes tournant en sens contraires. Ces boucles 42, 43 s'établissent parallèlement aux grandes faces et s'étagent selon la hauteur du produit coulé de part et d'autre d'une zone d'action motrice transversale commune du champ magnétique, les courants de chaque boucle remontant le long d'une petite face et descendant le long de la petite face opposée. Une telle configuration de mouvements est classiquement désignée de "configuration en ailes de papillon".We will simply retain here, for a better understanding of the invention which will be exposed later, that it is well known, as shown in the diagram of Figure 3 attached from document FR 72.20546, to have, in the secondary cooling of a continuous casting machine slabs,
Il est possible, comme montré sur la figure 4 ci-jointe extraite, elle, du document FR 2528739, de multiplier selon la hauteur de la machine de coulée les zones d'action motrice transversales 51, 52...des champs magnétiques. On leur confère dans ce cas des sens de rotation opposés deux à deux entre les boucles les plus proches voisines, afin par exemple de concerner un volume brassé le plus important possible pour une puissance de brassage disponible donnée. On réalise ainsi une topologie de mouvements, dite en "configuration en triple zéro" formée de trois boucles adjacentes tournant en sens opposé deux a deux: une boucle centrale-60 située entre les deux zones motrices transversales 51 et 52 et deux boucles externes, 61 et 62, de part et d'autre de la boucle centrale et tournant dans le même sens.It is possible, as shown in Figure 4 attached extracted it, the document FR 2528739, to increase the height of the casting machine the transverse
Quelle que soit la variante retenue, celle-ci peut être réalisée aussi bien avec des inducteurs placés derrière les rouleaux de soutien de la zone du refroidissement secondaire de la machine de coulée, qu'entre ces rouleaux (FR 2187468), ou logés au sein même de ceux-ci (FR 2187467). Il en est d'ailleurs de même pour ce qui concerne les moyens de mise en oeuvre de l'invention qui seront explicités par la suite.Whatever the variant adopted, this can be achieved both with inductors placed behind the support rollers of the secondary cooling zone of the casting machine, and between these rollers (FR 2187468), or housed within even of these (FR 2187467). It is also the same with regard to the means of implementation of the invention which will be explained later.
Il semble bien que, historiquement, la découverte de ce type de mouvements, basé sur une recirculation du métal en boucles se développant dans un plan parallèle aux grandes faces de la brame, provienne du fait que, contrairement aux produits longs, en coulée continue de produits plats, la forme allongée de la section droite du produit ne se prête pas aisément à l'établissement d'un mouvement de rotation stable autour de l'axe de coulée. La raison principale tient probablement aux forts gradients de vitesse que cela nécessite dans l'épaisseur d'un produit, laquelle ne dépasse guère une vingtaine de cm pour les plus épais.It seems that, historically, the discovery of this type of movement, based on a recirculation of the metal in loops developing in a plane parallel to the large faces of the slab, comes from the fact that, unlike the long products, in continuous casting of flat products, the elongated shape of the cross section of the product does not lend itself easily to the establishment of a stable rotational movement around the casting axis. The main reason is probably the strong speed gradients that this requires in the thickness of a product, which hardly exceeds twenty cm for the thickest.
En revanche, une configuration en boucles étagées, du type montré sur les figures 3 et 4, se développant sur la hauteur métallurgique parallèlement aux grandes faces du produit ne comporte pas un tel handicap. Elle présente de surcroît l'avantage d'assurer un meilleur échange thermique entre le haut et le bas de la machine de coulée. Le métal en fusion plus chaud du haut est amené en convection forcée vers le bas par les courants descendants 42a et 43a, pendant que les courants remontant 42b et 43b viennent ensemencer le haut en cristallites de métal solidifié collectés dans le bas, favorisant ainsi le développement précoce d'une solidification de type équiaxe large et régulière de la périphérie jusqu'au centre du produit coulé. Cependant, on ne peut développer ces boucles 42, 43 trop vigoureusement vers le haut comme on le voudrait au risque de perturber la surface libre du métal en lingotière. On sait aujourd'hui en effet à quel point la préservation du fragile équilibre hydrodynamique des écoulements en lingotière prévalant à ce niveau est nécessaire à l'obtention de la qualité de surface, sous cutanée et interne du produit coulé.On the other hand, a configuration in stepped loops, of the type shown in FIGS. 3 and 4, developing on the metallurgical height parallel to the large faces of the product does not have such a handicap. It also has the advantage of ensuring a better heat exchange between the top and bottom of the casting machine. The hotter molten metal from the top is forced convection downward by the
Or, il se trouve précisément que l'introduction du métal à couler par le haut de la lingotière à l'aide d'une busette immergée à ouies de sortie latérales s'ouvrant en regard des petites parois de la lingotière s'est quasiment généralisée de nos jours, supplantant la busette droite à sortie axiale unique, dès lors quasiment réservée aux seuls produits longs. Un avantage majeur obtenu sur les écoulements en lingotière réside dans le fait que, comme le montre le schéma de la figure 1 ci-jointe, par un phénomène de rebond contre les petites parois d'extrémité de la lingotière, le jet de métal liquide chaud issu de chaque ouies latérales 27, 27' de la busette 26, se répartit alors naturellement en deux fractions. Une fraction principale 21 est dirigée vers le bas, dans le sens de l'extraction du produit coulé. L'autre, 22, est réfléchie vers le haut de manière à apporter au voisinage de la surface libre 23 du métal en lingotière l'enthalpie nécessaire pour éviter des phénomènes de figeage du métal coulé au niveau du ménisque, lesquels bien souvent sont la cause d'arrêts accidentels de la coulée. On vise ainsi à réaliser en lingotière un mode de circulation dit en "double boucle", par opposition au mode "simple boucle".However, it is precisely that the introduction of the metal to be poured from the top of the mold with the aid of a submerged nozzle with lateral outlet openings opening opposite the small walls of the mold has become almost universal. nowadays, supplanting the straight nozzle with single axial outlet, therefore almost exclusively for long products. A major advantage obtained on the flows in the mold is the fact that, as shown in the diagram of Figure 1 attached, by a phenomenon of rebound against the small end walls of the mold, the jet of hot liquid metal from each
Ce dernier, représenté sur la figure 7, se traduit d'abord par un phénomène de remontée du métal vers le ménisque dès sa sortie des ouïes de la busette, résultant bien souvent d'une injection d'argon d'anti-bouchage dans la busette depuis le répartiteur de coulée situé au dessus. Cette remontée immédiate vers le haut se prolonge ensuite par un courant en surface vers chaque petite face et une redescente le long de celle-ci. De la sorte, s'établit assez rapidement en lingotière une cartographie des vitesses globalement dirigées vers le bas dans le sens d'extraction du produit avec absence de la boucle supérieure 22 d'apport de métal "chaud" au ménisque.The latter, represented in FIG. 7, first results in a phenomenon of rise of the metal towards the meniscus as soon as it leaves the openings of the nozzle, very often resulting from an injection of argon of anti-capping in the nozzle from the tundish located above. This immediate upward rise then continues by a surface current to each small face and a descent along it. In this way, a cartography of the speeds generally directed downwards in the extraction direction of the product is established relatively quickly in the mold, with the absence of the
Le mode "double boucle" n'est toutefois acquis durablement en cours de coulée que si les conditions de coulée s'y prêtent (vitesse de coulée, largeur de la brame, profondeur d'immersion de la busette de coulée, débit d'argon d'anti-bouchage, etc...). Des transitions aléatoires en mode "simple boucle" peuvent apparaître au cours même de la coulée si ces conditions fluctuent, ce qui correspond en fait au cas général.The "double loop" mode, however, is acquired durably during casting only if the casting conditions are suitable (casting speed, slab width, depth of immersion of the casting nozzle, argon flow anti-capping, etc ...). Random transitions in "single-loop" mode may occur during casting even if these conditions fluctuate, which is in fact the general case.
De surcroît, un aspect essentiel, en terme de maîtrise des écoulements en "double boucle" en lingotière, réside dans la conservation au sein de la lingotière d'une symétrie "gauche-droite" des mouvements de recirculation au ménisque de part et d'autre de la busette. On sait en effet que l'apparition d'asymétries à ce niveau est à l'origine de phénomènes d'oscillations du bain métallique qui peuvent conduire à un phénomène de roulis rédhibitoire de la surface que connaît bien l'opérateur sur le plancher de coulée. Ceci signifie que l'on doit veiller à ce que les courants 22, 22' de recirculation partielle vers le haut soient avant tout stabilisés dans le temps pour éviter l'apparition d'asymétries "gauche-droite". Ces courants ascensionnels, tout en étant suffisamment efficaces thermiquement pour apporter les calories souhaitées au ménisque, ne doivent cependant pas être trop intenses au plan de l'hydrodynamique afin d'éviter de trop agiter la ligne 25 de première solidification qui se forme en bordure du ménisque contre la paroi en cuivre refroidie de la lingotière. La régularité de cette ligne de première solidification est le gage en effet de l'homogénéité de la formation de la première peau dans le haut de la lingotière sans laquelle des risques sont inévitablement encourus de percées sous la lingotière par incrustations de laitier ou par affaiblissements locaux de l'épaisseur de la peau solidifiée.Moreover, an essential aspect, in terms of mastering "double-loop" flows in the mold, lies in the conservation within the mold of a "left-right" symmetry of the meniscus recirculation movements of both sides. other of the nozzle. It is known in fact that the appearance of asymmetries at this level is at the origin of phenomena of oscillations of the metal bath which can lead to a phenomenon of prohibitive roll of the surface that the operator knows well on the floor of casting . This means that one must ensure that the
Dit plus simplement, en coulée avec busette immergée à ouïes latérales, on peut obtenir au cours d'une même coulée de manière aléatoire ou, en tous cas, non nécessairement désirée, des écoulements en lingotière qui sont soit de type "double boucle", soit du type "simple boucle", soit des écoulements instables du fait d'asymétries "gauche-droite".More simply, in casting with immersed nozzle with side openings, it is possible to obtain during the same casting in a random manner or, in any case, not necessarily desired, flows in the mold which are either of the "double loop" type, either of the "simple loop" type, or unstable flows due to "left-right" asymmetries.
C'est notamment en raison de ces difficultés de maîtrise des écoulements dans la partie haute des machines de coulée continue que l'on a vu apparaître plus récemment des systèmes de brassage électromagnétique agissant en lingotière déjà sur les jets de sortie latéraux de la busette. Comme le montrent les schémas des figures 2a et 2b ci-jointes, extraites du document JP 57075270, des champs magnétiques mobiles horizontalement sont produits par des inducteurs linéaires polyphasés 30a, 30b et 30a', 30b' disposés sur les grandes parois de la lingotière 32 en regard de la trajectoire de sortie des jets de métal de part et d'autre de la busette 31. Selon le réglage du sens de glissement des champs, il est alors possible de freiner le courant du jet concerné (glissement des champs à contre courant, allant de la petite paroi vers la busette -fig 3b1) ou, au contraire, de l'accélérer (glissement à co-courant dans le sens allant de la busette vers la petite paroi-fig 3b2). Ceci permet d'ajuster en principe les apports enthalpiques vers la surface du métal coulé en fonction par exemple des conditions de coulée, sans trop perturber le mode d'écoulement en lingotière qui, lui, est à préserver prioritairement.It is in particular because of these difficulties in controlling the flows in the upper part of the continuous casting machines that more electro-stirring systems have already appeared to appear operating in the mold already on the lateral outlet jets of the nozzle. As shown in the diagrams of FIGS. 2a and 2b, taken from JP 57075270, horizontally movable magnetic fields are produced by polyphase
On voit donc bien, au travers du rapide rappel présenté ci avant de l'état antérieur de la technique, le cloisonnement, voir l'antinomie, qui existe de fait en coulée de produits de section droite allongée entre brassage du métal en lingotière d'un côté et brassage dans le refroidissement secondaire de l'autre.It is therefore clear, through the rapid recall presented above of the prior art, the partitioning, see the antinomy, which exists in fact in casting of products of elongated cross section between mixing of the metal in the mold of one side and brewing in the secondary cooling of the other.
La présente invention a précisément pour but de surmonter un tel handicap. Autrement-dit, applicable à la coulée continue des produits à section droite allongée, les brames en particulier, l'invention vise, via un mouvement de brassage d'ensemble étudié du métal en fusion selon la hauteur métallurgique, à procurer un bon échange du métal encore liquide dans les deux sens entre la zone du refroidissement secondaire et la lingotière. De ce fait, sera réalisée une homogénéité tant thermique que chimique entre le haut et le bas du puits de métal liquide coulé sans perturber le mode d'écoulement dans la lingotière et, le cas échéant, sans se priver pour autant des effets bénéfiques cumulés propres au brassage en lingotière et au brassage dans le refroidissement secondaire respectivement.The present invention is precisely to overcome such a handicap. In other words, applicable to the continuous casting of products with an elongate cross-section, slabs in particular, the invention aims, by means of a studied overall stirring movement of the molten metal according to the metallurgical height, to provide a good exchange of the metal still liquid in both directions between the zone of the secondary cooling and the mold. As a result, both thermal and chemical homogeneity between the top and the bottom of the poured liquid metal well will be achieved without disturbing the flow mode in the mold and, if necessary, without depriving itself of the cumulative beneficial effects thereof. mixing in the mold and stirring in the secondary cooling respectively.
Un but complémentaire de l'invention est de contribuer à l'amélioration de la qualité métallurgique de nuances d'acier dont on recherche une bonne santé interne, comme les nuances pour tôles fortes ou pour les gros tubes soudés, les aciers inoxydables ferritiques, ou les aciers électriques au silicium.An additional object of the invention is to contribute to the improvement of the metallurgical quality of steel grades which are in search of good internal health, such as grades for heavy plate or for large welded tubes, ferritic stainless steels, or electrical silicon steels.
Un autre but complémentaire est de pouvoir agir sur les écoulements dans le secondaire pour les utiliser au niveau des jets de coulée issus de la busette soit comme un agent accélérateur, soit au contraire comme un agent de freinage du métal arrivant en lingotière, soit encore comme un moyen pour contrecarrer les velléités d'asymétrie "gauche-droite" des mouvements du métal au sein de la lingotière.Another complementary aim is to be able to act on the flows in the secondary to use them at the pouring jets from the nozzle either as an accelerating agent or, on the contrary, as a braking agent for the metal arriving in the mold, or else as a means of counteracting the "left-right" asymmetry of movements of the metal within the mold.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de brassage électromagnétique dans la zone du refroidissement secondaire d'une installation de coulée continue de brames, ou autres produits analogues à section droite allongée, dont la lingotière est dotée d'une busette de coulée immergée à ouïes de sortie latérales dirigées vers les petites faces, procédé de brassage mise en oeuvre à l'aide de champs magnétiques glissants générés par des inducteurs polyphasés disposés à proximité du métal coulé, caractérisé en ce que l'on force, dans ladite zone du refroidissement secondaire, l'établissement d'un écoulement longitudinal du métal liquide localisé dans la région médiane du produit coulé selon deux courants colinéaires antagonistes.With these objectives in view, the subject of the invention is an electromagnetic stirring process in the zone of secondary cooling of a continuous casting plant for slabs, or other similar products with an elongate cross-section, the mold of which is provided with a submerged casting nozzle with lateral outlet openings directed towards the small faces, brewing method implemented using sliding magnetic fields generated by polyphase inductors arranged close to the cast metal, characterized in that one forces, in said zone of the secondary cooling, the establishment of a longitudinal flow of the liquid metal located in the median region of the cast product according to two collinear currents antagonists.
Ce faisant, s'établit naturellement une circulation d'ensemble du métal liquide dans le secondaire qui s'organise en une figure de "trèfle à quatre feuilles" ayant deux lobes supérieurs et deux lobes inférieurs et dont les deux lobes supérieurs s'étendent en lingotière jusqu'au niveau des jets issus des ouïes de sortie de la busette de coulée.In doing so, an overall circulation of the liquid metal in the secondary is established, which is organized into a "four-leaf clover" with two lobes upper and two lower lobes and the two upper lobes extend into the mold to the level of the jets from the outlets of the nozzle casting.
Conformément à une variante, on crée ces deux courants colinéaires antagonistes longitudinaux dans la partie médiane du produit qui s'éloignent l'un de l'autre, de manière que les deux lobes supérieurs qui s'étendent en lingotière jusqu'au niveau des jets issus des ouïes de sortie de la busette de coulée se confondent avec eux en co-courant pour les renforcer.According to one variant, these two longitudinal antagonistic collinear currents are created in the middle part of the product which move away from each other, so that the two upper lobes which extend in the mold to the level of the jets from the outlets of the outlet of the casting nozzle merge with them in co-current to strengthen them.
Conformément à une autre variante, on crée ces deux courants colinéaires antagonistes longitudinaux dans la partie médiane du produit qui convergent l'un vers l'autre de manière que les deux lobes supérieurs qui s'étendent en lingotière jusqu'au niveau des jets issus des ouïes de sortie de la busette de coulée se superposent à eux à contre-courant pour les freiner.According to another variant, these two longitudinal antagonistic collinear currents are created in the middle part of the product which converge towards one another so that the two upper lobes which extend in the mold to the level of the jets coming from the Outlets of the casting nozzle are superimposed on them against the current to slow them down.
Selon une réalisation particulière du procédé, on décale latéralement la localisation de l'écoulement longitudinal dans le secondaire vers l'une ou l'autre des petites parois du produit coulé afin de contrecarrer les tendances à l'asymétrie "gauche-droite" des mouvements du métal au sein de la lingotière.According to a particular embodiment of the process, the location of the longitudinal flow in the secondary towards the one or the other of the small walls of the cast product is shifted laterally in order to counter the tendencies to the "left-right" asymmetry of the movements. metal within the mold.
Conformément à une mise en oeuvre, on crée l'écoulement métallique longitudinal dans la région médiane du produit coulé selon deux courants colinéaires antagonistes à l'aide de champs magnétiques mobiles colinéaires glissants longitudinalement dans la dite région médiane, soit en se rapprochant l'un de l'autre, soit en s'éloignant.According to one embodiment, the longitudinal metal flow is created in the median region of the cast product in two collinear currents antagonistic using collinear movable magnetic fields sliding longitudinally in said middle region, or approaching one on the other, either by going away.
Conformément à une mise en oeuvre préférée, on crée l'écoulement métallique longitudinal dans la région médiane du produit coulé selon deux courants colinéaires antagonistes à l'aide de champs magnétiques mobiles colinéaires glissant transversalement selon la largeur du produit coulé, soit en se rapprochant l'un de l'autre du bord vers le centre du produit coulé, soit en s'éloignant l'un de l'autre du centre vers le bord du produit coulé.According to a preferred embodiment, the longitudinal metal flow is created in the median region of the cast product in two collinear currents antagonist using collinear moving magnetic fields sliding transversely along the width of the cast product, or by approaching the one from the other from the edge to the center of the cast product, either moving away from each other from the center towards the edge of the cast product.
- Conformément à une autre mise en oeuvre préférée,- on génère les champs magnétiques glissants à l'aide d'inducteurs linéaires polyphasés que l'on dispose en regard des grandes faces du produit coulé.According to another preferred implementation, the sliding magnetic fields are generated using polyphase linear inductors that are available opposite the large faces of the cast product.
En variante, on alimente les inducteurs avec des courants électriques d'intensités différentes, afin de régler différemment l'action sur les deux courants métalliques colinéaires antagonistes créés par les champs magnétiques glissants qu'ils génèrent.Alternatively, the inductors are supplied with electric currents of different intensities, in order to regulate differently the action on the two antagonistic collinear metal currents created by the sliding magnetic fields they generate.
Par glissement "colinéaire" des champs ou des écoulements métalliques, il faut comprendre que les champs magnétiques, respectivement les courants de métal, glissent non pas parallèlement l'un par rapport à l'autre mais sur la même ligne, à l'instar de deux vecteurs colinéaires par rapport à deux vecteurs parallèles.By "collinear" sliding of fields or metallic flows, it must be understood that the magnetic fields, respectively the metal currents, slide not parallel to each other but in the same line, as in the case of two vectors colinear with respect to two parallel vectors.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste, dans ses fondements principaux, à créer dans la zone du refroidissement secondaire une croix de brassage à deux branches transversales et deux branches longitudinales. Les branches transversales (ou horizontales si l'on suppose l'axe de coulée vertical) se développent selon la largeur du produit coulé et les deux branches longitudinales (ou verticales) se développent dans la région médiane (le plus souvent axiale) du produit coulé.As will have been understood, the invention consists, in its main foundations, to create in the secondary cooling zone a stirring cross with two transverse branches and two longitudinal branches. The transverse branches (or horizontal if one assumes the vertical axis of casting) develop according to the width of the cast product and the two longitudinal (or vertical) branches develop in the median (most often axial) region of the cast product .
Et c'est la formation dans le secondaire d'une telle croix de brassage qui, en raison des écoulements de recirculation en figure à quatre lobes qui en résultent au sein du puits liquide, va créer une configuration globale des mouvements concernant également la région de la lingotière telle que les buts prémentionnés visés par l'invention seront atteints.And it is the formation in the secondary of such a mixing cross which, because of the four-lobe recirculation flows resulting in the liquid well, will create a global configuration of the movements also concerning the region of the mold as the abovementioned goals of the invention will be achieved.
L'invention sera bien comprise et d'autres aspects apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit donnée en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles:
- les figures de 1 à 4 sont représentatives de l'art antérieur déjà considéré auparavant.
Plus précisément:- * la figure 1 est un schéma habituel montrant sommairement en coupe verticale médiane parallèle au grandes parois de la lingotière la cartographie connue des mouvements de circulation du métal liquide arrivant dans une lingotière de coulée continue de brames par une busette immergée dotée d'ouïes de sortie latérales s'ouvrant en regard des petites parois latérales;
- * les figures 2a, 2b1 et 2b2 sont des schémas, selon deux vues (en perspective à gauche et en section à droite), de modes connus de brassage électromagnétique en lingotière de coulée continue de brames avec busette immergée à ouïes de sortie latérales (cf. fig.1) à l'aide d'inducteurs polyphasés linéaires logés de part et d'autre de la busette sur chaque grande paroi et produisant des champs magnétiques glissant horizontalement en sens opposés deux à deux sur la même grande paroi, soit dans le même sens que le jet de sortie du métal auquel il est appliqué (fig. 2b2), soit en sens contraire (fig. 2b1 et 2a);
- * la figure 3 est un schéma simplifié montrant en perspective une brame en cours de coulée continue dans la zone du refroidissement secondaire de la machine de coulée. Cette zone est dotée d'une paire d'inducteurs linéaires disposés en regard l'un de l'autre de chaque coté du produit selon la largeur de celui-ci et générant un champ magnétique glissant horizontalement de manière à réaliser un mode de brassage électromagnétique en forme "d'ailes de papillon" connu est par exemple du document FR 2187467 précité;
- * la figure 4 est un schéma analogue au précédent de la fig. 3, mais montrant un mode de brassage électromagnétique en "triple boucle", tel que réalisé par exemple par la mise en oeuvre de l'enseignement du document FR 2528739 pré-mentionné;
- les autres figures, numérotées de 5 à 9 sont propres à l'invention. Plus précisément:
- * la figure 5 est un schéma général, vu en coupe verticale axiale parallèle aux grandes parois d'une lingotière de coulée continue de brames dotée d'une busette immergée à ouïes de sortie latérales s'ouvrant en regard des petites parois latérales, montrant le principe du brassage global en trèfle à quatre lobes dans la zone du refroidissement secondaire selon l'une des deux mises en oeuvre de l'invention dans laquelle les courants antagonistes longitudinaux s'éloignent l'un de l'autre, et la cartographie des mouvements de circulation du métal liquide qui en résulte au sein de cette zone juste en dessous de la lingotière;
- * la figure 6 est un schéma analogue à celui de la figure 5, mais dans le cas où le mode d'écoulement en lingotière est, non plus en "double boucle", mais en "simple boucle";
- * la figure 7a est un schéma qui, sur la base d'une reproduction de la figure 5, montre un moyen de réalisation du brassage en trèfle à quatre lobes à l'aide d'inducteurs linaires à champ magnétique glissant horizontalement;
- * la figure 7b est un schéma analogue à la figure 7a, mais illustrant un autre mode de réalisation de cette mise en ouvre de l'invention à l'aide cette fois d'inducteurs linéaires à champ magnétique glissant verticalement;
- * la figure 8 est aussi un schéma qui sur la base d'une reproduction de la figure 5, illustre un mode préféré de réalisation de l'invention instaurant une circulation complémentaire en mode "double boucle" en lingotière à l'aide d'inducteurs linéaires à champ glissant horizontalement agissant directement sur les jets de métal sortant des ouïes de la busette de coulée;
- * la figure 9 illustre l'autre variante de mise en oeuvre de l'invention consistant à créer des écoulements longitudinaux antagonistes dans la partie médiane du produit coulé, non plus divergents, mais convergents.
- Figures 1 to 4 are representative of the prior art already considered before.
More precisely:- FIG. 1 is a conventional diagram showing summarily in median vertical section parallel to the large walls of the mold the known cartography of the circulation movements of the liquid metal arriving in a mold of continuous casting of slabs by a submerged nozzle with outlet openings. lateral opening opposite the small side walls;
- FIGS. 2a, 2b 1 and 2b 2 are diagrams, in two views (in perspective on the left and in section on the right), of known electromagnetic stirring modes in continuous slab casting mold with immersed nozzle with side outlet openings. (see fig.1) using polyphase linear inductors housed on both sides of the nozzle on each large wall and producing magnetic fields sliding horizontally in opposite directions in pairs on the same large wall, or in the same direction as the exit jet of the metal to which it is applied (Fig. 2b 2 ), or in the opposite direction (Fig. 2b 1 and 2a);
- FIG. 3 is a simplified diagram showing in perspective a slab during continuous casting in the zone of the secondary cooling of the casting machine. This zone is provided with a pair of linear inductors disposed opposite one another on each side of the product according to the width thereof and generating a magnetic field sliding horizontally so as to achieve an electromagnetic stirring mode in the form of "butterfly wings" known is for example FR 2187467 cited above;
- FIG. 4 is a diagram similar to the previous one of FIG. 3, but showing a method of electromagnetic stirring in "triple loop", as realized for example by the implementation of the teaching of the document FR 2528739 mentioned above;
- the other figures, numbered from 5 to 9 are specific to the invention. More precisely:
- FIG. 5 is a general diagram, seen in axial vertical section parallel to the large walls of a continuous slab casting mold with a submerged nozzle with lateral outlet openings opening opposite the small side walls, showing the principle of global stirring in four-lobed clover in the zone of the secondary cooling according to one of the two implementations of the invention in which the longitudinal antagonistic currents move away from each other, and the mapping of the movements circulation of the resulting liquid metal within this zone just below the mold;
- FIG. 6 is a diagram similar to that of FIG. 5, but in the case where the ingot mold flow mode is no longer a "double loop" but a "single loop";
- Fig. 7a is a diagram which, on the basis of a reproduction of Fig. 5, shows a means for making four-lobed clover brewing using horizontally sliding linear magnetic field inductors;
- FIG. 7b is a diagram similar to FIG. 7a, but illustrating another embodiment of this implementation of the invention, this time using linear inductors with a vertical sliding magnetic field;
- FIG. 8 is also a diagram which, on the basis of a reproduction of FIG. 5, illustrates a preferred embodiment of the invention introducing complementary circulation in "double-loop" mode in an ingot mold using inductors linear sliding field horizontally acting directly on the metal jets exiting gills of the casting nozzle;
- FIG. 9 illustrates the other alternative embodiment of the invention consisting in creating antagonistic longitudinal flows in the median part of the cast product, no longer divergent, but convergent.
On rappelle que les figures 1 à 4 ont servi de support à l'exposé de l'art antérieur déjà fait au début de ce mémoire. On y reviendra donc pas dans ce qui suit.It will be recalled that FIGS. 1 to 4 served to support the presentation of the prior art already made at the beginning of this memoir. We will not come back to this in the following.
Sur les figures 5 à 9 représentatives du mode de brassage dans le secondaire propre à l'invention dans ces deux variantes (divergents ou convergents au-centre), les champs magnétiques glissants, tout comme les inducteurs linéaires qui les produisent, sont représentés par des flèches verticales ou horizontales épaisses. Les mouvements de convection produits sont eux représentés par leurs trajectoires principales sous forme de traits porteurs de pointes de flèche indiquant le sens de circulation du mouvement sur la trajectoire porteuse. Les traits pleins représentent des zones de convection actives, donc de circulations soumises à l'action de champs magnétiques glissants. Les traits discontinus représentent les zones de convection passive, autrement-dit des zones de re-circulation, qui sont nécessairement complémentaires aux précédentes pour assurer le bouclage des mouvements.In FIGS. 5 to 9 representative of the mode of mixing in the secondary of the invention in these two variants (divergent or convergent in the center), the sliding magnetic fields, just like the linear inductors which produce them, are represented by vertical or horizontal arrows thick. The convection movements produced are represented by their main trajectories in the form of arrows carrying arrowheads indicating the direction of movement of the movement on the carrier trajectory. The solid lines represent active convection zones, therefore of circulations subjected to the action of sliding magnetic fields. The discontinuous lines represent the zones of passive convection, otherwise called recirculation zones, which are necessarily complementary to the previous ones to ensure the closure of the movements.
Sur ces figures, les mêmes éléments sont désignés sous des références identiques. Le cas échéant, pour ne pas surcharger inutilement certaines figures, des références récurrentes n'ont pas été portées afin de laisser plus de clarté aux éléments essentiels de l'invention représentés sur ces figures.In these figures, the same elements are designated under identical references. If necessary, in order not to unnecessarily overburden certain figures, recurrent references have not been worn in order to allow more clarity to the essential elements of the invention shown in these figures.
Sur chacune d'elles on a représenté une lingotière 1 de coulée continue de brames suivie en dessous par la zone 2 du refroidissement secondaire de la machine de coulée, ici volontairement dépouillée des rouleaux de soutien pour ne pas nuire inutilement à la clarté du dessin. Les vues étant dans un plan parallèle aux grandes parois de la lingotière, seules sont visibles en 3 et 3' les petites parois latérales, lesquelles vont déterminer les petites faces 18, 18' du produit coulé 6. Les grandes faces étant dans le plan des figures, elles ne sont pas référencées sur les figures. Par ailleurs, pour plus de clarté, on désignera sous la référence 6 indifféremment la brame coulée en elle-même ou son coeur encore liquide appelé plus généralement "puits de solidification".On each of them there is shown a
Une busette immergée 4 centrée sur l'axe de coulée A (confondu ici comme c'est classiquement le cas avec l'axe longitudinal du produit coulé), alimente la lingotière en métal en fusion depuis un répartiteur non représenté situé au dessus. Cette busette est dotée d'ouies de sorties latérales 5 et 5' tournées chacune en regard de l'une et l'autre des petites parois 3 et 3' respectivement. Le format du produit coulé est déterminé par les dimensions intérieures de la lingotière définissant l'espace de coulée dans lequel arrive le métal en fusion sous forme de jets 7, 7' sortant des ouïes de la busette 4 classiquement selon une direction moyenne plus ou moins horizontale, ou légèrement inclinée vers le bas. Le produit coulé progresse ainsi du haut, depuis le niveau du ménisque 8, vers le bas, dans le sens d'extraction de la machine de coulée, à la verticale ou selon une trajectoire courbe dans un plan orthogonal à celui de la figure, avec une vitesse d'extraction (vitesse de coulée) habituellement de l'ordre du mètre par minute. Au cours de sa progression, il se solidifie progressivement depuis sa périphérie jusqu'au centre par extraction de sa chaleur interne, d'abord en lingotière 1 au contact des parois en cuivre refroidi, puis dans la zone du refroidissement secondaire 2 sous l'effet de rampes d'arrosage d'eau.A submerged nozzle 4 centered on the casting axis A (here confused as is conventionally the case with the longitudinal axis of the cast product) feeds the molten metal mold from a not shown distributor above. This nozzle is provided with
On rappelle que la hauteur métallurgique (ou profondeur du puits de solidification), est classiquement définie comme la différence de cotes sur la verticale entre le niveau de la surface libre du métal coulé en lingotière (ou ménisque) et celui du fond de puits de solidification au bas de la zone du refroidissement secondaire, là où se rencontrent les fronts de solidification finissante qui'se développent sur chacune des grandes faces du produit coulé à mesure que progresse la solidification.It is recalled that the metallurgical height (or depth of the solidification well) is conventionally defined as the difference in dimensions on the vertical between the level of the free surface of the molded metal (or meniscus) and that of the bottom of the solidification well. at the bottom of the secondary cooling zone, where the finishing solidification fronts which develop on each of the large faces of the cast product meet as the solidification progresses.
A environ 3 ou 4m sous le ménisque 8, donc au sein de la zone de refroidissement secondaire 2, on repère arbitrairement sur l'axe longitudinal du produit (confondu avec l'axe de coulée A) un point P que l'on qualifiera de centre de la croix de brassage 9 propre à l'invention. Cette croix 9 est une croix à quatre branches, colinéaires deux à deux: deux branches longitudinales (ici verticales) 10a, 10b, formant une paire alignée sur l'axe de coulée A, et deux branches transversales (ici horizontales) 11a, 11b formant une paire se développant selon la largeur du produit coulé. Dans chacune des deux branches d'une même paire, le métal liquide y circule dans des sens opposés deux à deux. Par ailleurs, la circulation du métal dans une paire est à l'opposée de celle de l'autre paire.At about 3 or 4m below the
En raison du caractère dimensionnel nécessairement "fini" du produit coulé, ces branches, comme on le voit, sont reliées en quelque sorte entre elles par des boucles de recirculation pour former un écoulement d'ensemble se développant dans le plan des grandes faces du produit coulé en figure de trèfle à quatre feuilles, les feuilles constituant des lobes L1, L2, L3, L4, dont les deux supérieurs, L1 et L4, s'étendent jusqu'en lingotière au niveau des jets de sortie 7 et 7'.Due to the necessarily "finite" dimensional nature of the cast product, these branches, as can be seen, are connected in some way to each other by recirculation loops to form an overall flow developing in the plane of the large faces of the product. poured into a four-leaf clover figure, the leaves constituting lobes L1, L2, L3, L4, the two upper ones, L1 and L4, extending to the mold at the
Ainsi, selon le mode de brassage représenté sur les figures 5 à 8, la paire de branches verticale est en convection de type "divergent". Les courants de métal s'éloignent l'un de l'autre depuis le centre P. L'un, 10a, déflue vers la lingotière 1 située au dessus, l'autre, 10b, déflue vers le bas, dans le sens d'extraction du produit coulé, en direction du lieu de fermeture du puits de solidification. Dans la paire horizontale 11a, 11b, la convection du métal est alors de type "convergent": les courants métalliques confluent l'un vers l'autre en direction du centre de confluence P en circulant des petites faces latérales du produit vers l'axe longitudinal A.Thus, according to the stirring mode shown in FIGS. 5 to 8, the pair of vertical branches is in "divergent" type convection. The metal currents move away from each other from the center P. One, 10a, deflects towards the
Comme déjà dit, les courants métalliques qui forment ces branches sont créés par des champs magnétiques glissants, eux mêmes générés par des inducteurs linéaires disposés à proximité immédiate du produit coulé en regard de ces grandes faces (de préférence les deux faces). Bien entendu, il n'est pas nécessaire que les deux paires de branches soient simultanément activées par les champs magnétiques. Seule une peut l'être, par exemple les branches verticales 10a, 10b, l'autre, 11a, 11b, devenant alors naturellement le siège d'une recirculation par réaction, car le centre P fonctionne comme un noeud de passage de courants qui conserve les débits massiques et les quantités de mouvement, et réciproquement.As already stated, the metal currents forming these branches are created by sliding magnetic fields, themselves generated by linear inductors arranged in close proximity to the cast product facing these large faces (preferably both sides). Of course, it is not necessary that the two pairs of branches are simultaneously activated by the magnetic fields. Only one can be, for example the
Par contre, selon ce premier mode de brassage de l'invention, il importe que les branches verticales 10a et 10b soient défluentes, comme montré sur les figures 5 à 8. Dans les lobes supérieurs L1 et L4 proches de la lingotière, le métal remonte alors au centre et descend le long des petites faces, et inversement dans les lobes inférieurs L2 et L3.On the other hand, according to this first stirring mode of the invention, it is important for the
Il se trouve que dans ces conditions, la mise en oeuvre de l'invention maximise les échanges de matière métallique entre le bas et le haut du puits liquide. D'une part, en effet, la circulation en boucle du métal dans un lobe quelconque s'effectue dans un sens de rotation opposé à celui qui s'établit dans les deux lobes les plus proches voisins. D'autre part, la vigueur des jets de coulée 7 et 7' se trouvant alors systématiquement renforcée par le flux central 10a remontant à co-courant, les boucles de recirculation L5 et L6 en lingotière vers le ménisque 8 vont se trouver renforcées à leur tour. Par conséquent, le mode "double boucle" L5, L1, L4 et L6 présent au sein de la lingotière se trouve ainsi de surcroît stabilisé.It is found that under these conditions, the implementation of the invention maximizes the exchange of metallic material between the bottom and the top of the liquid well. On the one hand, in fact, the loop circulation of the metal in any lobe takes place in a direction of rotation opposite to that which is established in the two nearest nearest lobes. On the other hand, the force of the
De la sorte, on comprend aisément que tout élément de métal liquide (que l'on isolera par la pensée à un endroit arbitraire de la hauteur métallurgique) aura une probabilité élevée de se retrouver, par emprunt aléatoire de courants ascendants ou descendants successifs, au moins une fois en lingotière avant de redescendre s'il se trouve initialement dans la zone du refroidissement secondaire et réciproquement si on le choisit initialement en lingotière, étant entendu que globalement il subira nécessairement un déplacement moyen vers le bas dans la direction d'extraction avec une vitesse moyenne égale à la vitesse de coulée. Dit autrement, cette mise en oeuvre de l'invention maximise l'échange de matière métallique en fusion entre les zones chaudes de la lingotière et celles plus froides du secondaire et ce en renforçant en lingotière les moyens connus propres à y stabiliser le mode "double boucle".In this way, it is easy to understand that any element of liquid metal (which will be isolated by thought at an arbitrary point of the metallurgical height) will have a high probability of finding itself, by random borrowing of successive ascending or descending currents, at the same time. at least once in the mold before descending if it is initially in the zone of the secondary cooling and vice versa if it is initially chosen in the mold, it being understood that globally it will necessarily undergo a mean displacement downwards in the direction of extraction with an average speed equal to the casting speed. In other words, this implementation of the invention maximizes the exchange of molten metal material between the hot zones of the mold and the colder ones of the secondary, and by reinforcing the known means for stabilizing the "double" mode in the mold. loop".
Un tel échangé contribue notamment à une meilleure évacuation de la surchauffe ainsi qu'à l'avènement d'une solidification du métal de type équiaxe précoce et ample, sans risque de perturber le mode d'écoulement en lingotière, au contraire en renforçant la stabilité de la symétrie "gauche-droite" des mouvements de part et d'autre de la busette, et ce quelque soit le mode local présent: "double boucle" -cf. fig. 5-,ou "simple boucle -cf. fig. 6- donc en contrecarrant la tendance aléatoire naturelle de transition d'un mode vers l'autre.Such an exchange contributes in particular to a better evacuation of the overheating as well as to the advent of a solidification of the early and ample equiaxed type metal, without the risk of disturbing the ingot mold flow mode, on the contrary by reinforcing the stability symmetry "left-right" movements on either side of the nozzle, and whatever the local mode present: "double loop" -cf. Fig. 5-, or "simple loop -fc Fig. 6- So counteracting the natural random tendency of transition from one mode to another.
Comme déjà dit, les branches 10 et 11 de la croix de brassage 9 sont générées par l'action appliquée à ces endroits de champs magnétiques glissants. Les lignes de force de ceux-ci sont orthogonales à la surface du produit coulé, ou du moins présentent une composante principale orthogonale pour maximiser le couplage électromagnétique avec le métal liquide.As already said, the branches 10 and 11 of the stirring
Il est bien connu que de tels champs peuvent être aisément produits par des inducteurs linéaires polyphasés classiques.It is well known that such fields can easily be produced by conventional polyphase linear inductors.
La figure 7a illustre une première mise en oeuvre de l'invention selon laquelle deux inducteurs linéaires identiques 12 et 13 sont placés horizontalement au même niveau en hauteur sur la machine de coulée (inducteurs colinéaires) de part et d'autre de l'axe de coulée et montés en opposition de manière à créer des champs magnétiques colinéaires glissants transversalement selon la largeur du produit coulé, des petites faces 18, 18' vers le centre. Ces inducteurs sont avantageusement dimensionnés de manière à générer chacun un champ magnétique glissant, selon une branche active de convection (11a ou 11b), de longueur égale à un peu moins de la moitié de la demi largeur de la brame coulée 6.FIG. 7a illustrates a first implementation of the invention according to which two identical
Dans ce cas, la force motrice de brassage est donnée par les branches transversales convergentes 11a, 11b de la croix de brassage, et les flux défluents longitudinaux 10a, 10b, sont alors obtenus après passage du point de confluence P.In this case, the driving force of stirring is given by the convergent
La figure 7b illustre une seconde mise en oeuvre, équivalente à la précédente quant aux effets obtenus. Selon cette seconde variante, les inducteurs linéaires colinéaires 14 et 15 montés en opposition sont disposés verticalement, sur l'axe de coulée. De cette manière, on active cette fois directement les branches longitudinales 10a et 10b (dont la présence au sein du secondaire est à la base même de l'invention), l'inducteur supérieur 14 générant alors un champ magnétique glissant vers le haut de la machine de coulée en direction de la lingotière, l'inducteur inférieur 15 produisant un champ glissant vers le bas en direction du fond du puits.Figure 7b illustrates a second implementation, equivalent to the previous one as to the effects obtained. According to this second variant, the collinear
La figure 8 illustre un mode de réalisation préféré de l'invention. Il consiste à transformer le bord supérieur des lobes de recirculation supérieurs L1 et L4 venant renforcer les jets de coulée 7 et 7' en zones de convection active. Pour cela, on adjoint à la paire d'inducteurs déjà présents dans le refroidissement secondaire pour créer la croix de brassage 9, deux inducteurs linéaires supplémentaires 16,17 à champs glissants horizontaux disposés colinéairement de part et d'autre de la busette 4 au niveau des jets de métal 7 et 7' sortant des ouïes 5 et 5' et glissant en co-courant avec lesdits jets, de la busette vers les petites parois 3, 3' de la lingotière 1. L'effet de convergence entre les jets et le flux central remontant du bas se trouve ainsi encore raffermi et, par voie de conséquence, le régime local de type"double boucle" en lingotière également.Figure 8 illustrates a preferred embodiment of the invention. It consists in transforming the upper edge of the upper recirculation lobes L1 and L4 reinforcing the
La figure 9, analogue à la figure 5, s'en distingue cependant de manière essentielle par le fait que les sens de circulation du métal dans chacune des quatre branches de la croix 9 sont inversés. Cette figure 9 illustre ainsi la seconde variante principale de mise en oeuvre de l'invention qui consiste à créer des courants colinéaires antagonistes longitudinaux 20a, 20b dans la partie médiane du produit coulé 6 qui cette fois convergent l'un vers l'autre en direction du point P de manière à procurer une circulation d'ensemble du métal liquide qui s'étende en lingotière 1 par-des courants remontant le long des petites faces 18, 18' jusqu'au niveau des jets de métal 7, 7' issus des ouïes de sortie 5, 5' de la busette avec lesquels ils s'opposent en contre-courant pour les freiner.FIG. 9, similar to FIG. 5, however, differs essentially from this in that the directions of circulation of the metal in each of the four branches of the
On retrouve globalement une configuration de brassage dans le secondaire à quatre lobes L1 à L4, et dont les boucles tournent donc en sens contraire par rapport à la première variante. Toutefois, en raison de l'effet antagoniste des lobes supérieurs L1 et L4 sur les jets 7 et 7', les courants de retour du métal vers le bas dans la partie centrale du puits liquide sont moins canalisés et confinés, mais beaucoup plus diffus et dispersés dans la section du produit que dans ladite première variante.There is generally a brewing configuration in the secondary four lobes L1 to L4, and whose loops turn in opposite directions compared to the first variant. However, due to the antagonistic effect of the upper lobes L1 and L4 on the
On comprend que ces deux variantes principales ne sont en réalité que deux facettes différentes et complémentaires de la même invention et qui peuvent être présentes conjointement lors de la mise en oeuvre du procédé de brassage. Il sera en effet aisé de modifier en dynamique les sens de glissement des champs magnétiques agissants, par exemple en inversant les polarités des inducteurs qui les produit, de manière à pouvoir à la demande freiner ou accélérer les courants des jets de coulée 7, 7' à partir d'une action de brassage localisée dans le secondaire loin de ces jets.It is understood that these two main variants are in fact only two different and complementary facets of the same invention and which may be present jointly during the implementation of the brewing process. It will indeed be easy to modify dynamically the sliding directions of the magnetic fields acting, for example by inverting the polarity of the inductors that produces them, so as to be able to brake or accelerate the currents of the casting streams 7, 7 ' from a brewing action located in the secondary away from these streams.
On voit donc qu'un intérêt déterminant de l'invention est d'assurer un bon échange haut/bas dans le puits liquide tout en pouvant agir à distance sur les jets de coulée en lingotière, et ce à l'aide d'un montage simple et rustique d'un équipement de brassage électromagnétique dont les composants sont largement disponibles dans le commerce.It can therefore be seen that a decisive advantage of the invention is to ensure a good up / down exchange in the liquid well while being able to act remotely on the casting jets in the mold, and this by means of a mounting simple and rustic electromagnetic stirring equipment whose components are widely available commercially.
Comme on l'aura bien compris, l'invention consiste, en somme, à utiliser judicieusement les moyens de brassage électromagnétique actuellement disponibles pour réaliser dans le secondaire un découpage dans le sens long du produit en deux brins juxtaposés et, dans chaque brin, à installer une configuration de brassage de type ailes de papillon. Ce faisant, on crée un système d'écoulement d'ensemble dans le secondaire à quatre lobes dont le coeur est la croix de brassage 9 avec son centre P.As will be understood, the invention consists, in short, judiciously use electromagnetic stirring means currently available to achieve in the secondary a cutting in the long direction of the product in two strands juxtaposed and in each strand, install a butterfly wing type brewing configuration. In doing so, we create an overall flow system in the secondary four-lobe whose heart is the stirring
De préférence, pour des raisons évidentes de symétrie, ce partage en deux brins se fera à mi-largeur du produit coulé, c'est-à-dire selon l'axe longitudinal de celui-ci, car cet axe se confond généralement avec l'axe de coulé.Preferably, for obvious reasons of symmetry, this division into two strands will be half width of the cast product, that is to say along the longitudinal axis thereof, because this axis is generally confused with the casting axis.
Cela dit, il suffira de déséquilibrer les forces de brassage entre les deux branches transversales 11a, 11b, par exemple via un réglage différencié des intensités des courants électriques alimentant les inducteurs 12, 13, pour déplacer latéralement la position médiane du centre P vers une petite face 5 ou vers l'autre 5' et ainsi obtenir sur les mouvements en lingotière un effet plus sélectif d'un coté de la busette que de l'autre.That said, it will suffice to unbalance the stirring forces between the two
De même, un déséquilibre analogue sur les branches longitudinales 10a, 10b permettra, avec un équipement de brassage donné, un déplacement vers le haut ou vers le bas du centre P de la croix de brassage sans avoir à modifier l'emplacement de cet équipement sur la machine de coulée.Likewise, a similar imbalance on the
Certes, si l'on veut pouvoir intervenir conjointement sur ces deux possibilités de réglage de la position du centre P de la croix de brassage, il faudra doter le secondaire d'un équipement à quatre inducteurs de manière à pouvoir activer électromagnétiquement chacune des quatre branches 10a, 10b, 11a et 11b.Certainly, if one wants to be able to intervene jointly on these two possibilities of adjustment of the position of the center P of the stirring cross, it will be necessary to equip the secondary one of equipment with four inductors so as to be able to activate electromagnetically each of the four
Quelque soit son mode de mise en oeuvre, l'invention procure un brassage d'ensemble du métal sur la hauteur métallurgique apte à assurer une homogénéité tant thermique que chimique entre le haut et le bas du puits liquide sans pour autant se priver des effets bénéfiques propres aux brassages en lingotière et dans le refroidissement secondaire respectivement, et sans perturber, voire en stabilisant, le mode d'écoulement local dans la lingotière.Whatever its mode of implementation, the invention provides a total mixing of the metal on the metallurgical height capable of ensuring both thermal and chemical homogeneity between the top and bottom of the liquid well without depriving itself of the beneficial effects specific to ingot brewing and in the secondary cooling respectively, and without disturbing or even stabilizing the local flow mode in the mold.
Il va de soi que l'invention ne se limite pas aux exemples décrits ci-avant, mais qu'elle s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où est respectée sa définition donnée dans les revendications qui suivent.It goes without saying that the invention is not limited to the examples described above, but that it extends to multiple variants or equivalents insofar as its definition given in the following claims is respected.
Ainsi, par exemple, si les inducteurs linéaires à utiliser ont classiquement une structure plane, cette disposition n'est que préférentielle. Peuvent également convenir, des inducteurs de forme courbe pour épouser au mieux la forme de la surface de la brame là où ils sont placés sur la hauteur métallurgique.Thus, for example, if the linear inductors to be used conventionally have a planar structure, this provision is only preferential. Curved inductors can also be used to better match the shape of the slab surface where they are placed on the metallurgical height.
Claims (10)
- Method of electromagnetic stirring in the secondary cooling zone of a plant for the continuous casting of metal products of elongate cross section, the mould of which is provided with a submerged casting nozzle having lateral discharge outlets directed towards the small walls of the mould, which stirring method is implemented by means of travelling magnetic fields generated by multiphase inductors placed near the cast metal, characterized in that, for the purpose of promoting liquid metal exchange within the solidification pool (6) between the secondary cooling zone (2) and the mould (1), a longitudinal metal flow is forcibly established in the said secondary cooling zone, said flow being localized in the middle region of the cast product as two opposing collinear streams (10a, 10b, or 20a, 20b) and providing circulation of the liquid metal as a "four-leaf clover" configuration design having two upper lobes and two lower lobes, said upper lobes (L1, L4) extending into the mould right up to the level of the jets (7, 7') coming out from the discharge outlets (5, 5') of the submerged casting nozzle (4).
- Stirring method according to claim 1, characterized in that the said longitudinal opposing collinear streams (10a, 10b) in the middle region of the cast product, which move away from each other, are created in such a way that the said two upper lobes (L1, L4) which extend into the mould right up to the level of the jets (7, 7') coming out from the discharge outlets (5, 5') of the casting nozzle (4) merge cocurrently with the said jets in order to reinforce them.
- Stirring method according to claim 1, characterized in that the said longitudinal opposing collinear streams (20a, 20b) in the middle region of the cast product, which converge on each other, are created in such a way that the two upper lobes (L1, L4) that extend into the mould up to the level of the jets (7, 7') emanating from the discharge outlets (5, 5') of the casting nozzle (4) are superposed counter-currently on the said jets in order to brake them.
- Stirring method according to claim 1, characterized in that the location of said longitudinal flow in the secondary is shifted laterally towards one or other of the small sides of the cast product.
- Stirring method according to claims 2 and 3, characterized in that said longitudinal metal flow is created as two opposing collinear streams by means of collinear moving magnetic fields that travel longitudinally in the said central region, either coming closer together, or further apart.
- Stirring method according to claims 2 and 3, characterized in that said longitudinal metal flow is created as two opposing collinear streams by means of collinear moving magnetic fields that travel transversely over the width of the cast product, either coming closer together from the edge towards the centre of the cast product, or moving further apart from the centre towards the edge of the cast product.
- Stirring method according to any one of the preceding claims, characterized in that said travelling magnetic fields are generated by means of multiphase linear inductors that are placed facing the large walls of the cast product.
- Method according to claim 7, characterized in that said inductors are supplied with electric currents of different intensities.
- Method according to one of the preceding claims, characterized in that other travelling magnetic fields are also used that act directly in the mould (1) on the jets (7, 7') of metal discharging from the outlets (5, 5') of the nozzle (4).
- Flat metal product obtained from a continuous casting plant, the secondary cooling zone of which being the location of an electromagnetic stirring operation according to that defined in claim 1.
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