EP2249983B1 - Procédé et équipement électromagnétique associé pour la mise en rotation d'un métal en fusion au sein d'une lingotière de coulée continue de brames. - Google Patents

Procédé et équipement électromagnétique associé pour la mise en rotation d'un métal en fusion au sein d'une lingotière de coulée continue de brames. Download PDF

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EP2249983B1
EP2249983B1 EP07872391.3A EP07872391A EP2249983B1 EP 2249983 B1 EP2249983 B1 EP 2249983B1 EP 07872391 A EP07872391 A EP 07872391A EP 2249983 B1 EP2249983 B1 EP 2249983B1
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EP
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metal
inductors
forces
molten metal
casting
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EP2249983A1 (fr
Inventor
Siebo Kunstreich
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Rotelec SA
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Rotelec SA
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal
    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B22D11/114—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means
    • B22D11/115—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means by using magnetic fields

Definitions

  • the present invention relates to the continuous casting of metal slabs, in particular steel. It relates more particularly to the implementation of sliding magnetic fields in the mold, whose action on the cast liquid metal gives the latter a rotational movement about the casting axis.
  • molten metal fills the casting space to a certain height level to form a meniscus (free surface of the liquid metal) covered with a slag and a steady flow of metal melt is continuously brought into the mold with the aid of a submerged nozzle (a few tens of centimeters below the meniscus) generally single and centered on the casting axis, and provided with lateral outlet openings which open in look at the small end faces.
  • the document EP 0151 648 proposes to implement four identical identical inductors mounted symmetrically on the large faces of the mold, at the rate of two inductors per large face, placed on either side of the nozzle, each partially covering a half width of the large face which receives them, between the nozzle and the small end faces.
  • the European patent EP No. 0096077 proposes him, a device configured on the basis of three inductors aligned by large face, jointly generating magnetic fields sliding horizontally in the same direction, but associated with means to make them act with differentiated thrust forces on the cast metal .
  • the first inductor in the vicinity of a small end face therefore, would ensure the speed of the mass of molten metal opposite, the second would ensure the maintenance speed in the middle part of the large face, while the third would be set to allow a deceleration of the flow of metal that passes before him before the frontal impact on the other small end face.
  • the European patent EP 0750958 seems to take another step further by proposing equipment for the rotation of the meniscus metal constituted by a single integral inductor by large face, therefore of the type described in JP 57075268 cited before, but served by a complex connectivity that connects it to its three-phase power supply.
  • This sophistication of the electrical assembly applied to an inductor of old design, aims to allow the implementation, here too, means for modulating the driving force according to the width of the mold. The goal is that the force is more intense in the end region of a large face to "push" the molten metal outward than that acting in the same end region facing each other. large face and facing in the opposite direction (thus pushing inwards).
  • the invention firstly relates to a method for an oblong axial electromagnetic rotation of the molten metal in a continuous slab casting mold provided with a submerged casting nozzle centered on the casting axis. and having lateral outlet openings open opposite the small end faces of the mold, in which process has been mounted at least four polyphase magnetic field inductors sliding along the width of the mold on the large faces of the mold to reason of two inductors per large face, and the inductors arranged side by side on the same large face of the mold were set to create a system with four driving forces whose two forces attached to any pair of inductors located diagonally from each other with respect to the casting axis push the metal of the nozzle towards the small faces, thus “towards the outside", whereas the other two forces, attached to the other pair of inductors located diagonally from each other, push the metal of the small faces towards the nozzle, so "inward", the joint implementation of these four forces imparting generally to the molten metal an axial rotational movement oblong to
  • the intensities of the driving forces of each pair of inductors located diagonally with respect to the casting axis are equalized to one another.
  • all the driving forces between them are equalized in intensity if and only if the natural flow mode of the ingot mold metal bath is of the "unstable flow" type.
  • the meniscus velocity of the molten metal measured in the vicinity of the same large face of the mold, is measured. flow progresses "inwards” and that whose flow progresses "outwards", a differential signal representative of the difference between said measured velocities, representative of amplitude and sign, is developed and the differentiation of said forces is regulated driving force, between forces pushing "inward” and those pushing “outwards", applying to them a difference in intensity that permanently makes said differential signal to zero.
  • the natural flow mode of the molten metal within the ingot mold is predicted by taking into account parameters specific to the casting, and then differentiating the driving forces between them so as to further intensify the forces that push the metal "inwards” if the natural flow mode of the metal bath is of the "single loop” type, and conversely , so as to further intensify the forces that push the metal "outwards", if the natural flow mode of the metal bath is of the "double loop” type.
  • the natural flow mode but also the natural rate of circulation of the meniscus metal is predicted and the difference between the "outwardly” driving forces and those pushing toward the "interior” so that this difference is proportional to said natural speed predicted to the meniscus.
  • said power control means intervene on the differentiation means of the intensities of the driving forces in order to equalize the intensity of all the forces if and only if the natural flow mode of the Metal bath is of the "unstable flow" type.
  • the means of identification of the flow mode of the metal bath within the casting mold are predictive in nature and constituted by a computer system comprising a programmed computer RAM in which are recorded identification charts (and / or their analytical form) constructed using a mathematical model of fluid mechanics describing the natural flows from the argon stream flow parameters, the cross-section casting slab, geometry and immersion depth of the nozzle, and casting speed.
  • the intensity of the driving force F can be controlled by the intensity I eff of the electric current supply, or by the frequency f of this current if it has for this purpose a variable frequency power supply.
  • the driving force is controlled by the intensity of the electric supply current, the power supply being set so that the frequency of the latter is at a low value of 3 Hz. or even less, to obtain a sufficient depth of penetration of the magnetic induction in the molten metal in the vicinity of the inductor given the thickness of the wall of the ingot mold to be crossed and the composition of the metal of which it is formed
  • a first stable mode is the "double loop” mode (better known by the English name of "double roll”).
  • each metal jet 1 which arrives in the mold by a side port 2 of the immersed nozzle 3 centered on the casting axis A, reaches a small end face 5 of the mold with an incidence and a momentum such that it divides after the impact into two opposite currents 7 and 8.
  • a stream 8 descends in depth and a stream 7 rises, him, along the small face 5 to the meniscus 4 where, once reached this level, it develops into a blade 16 which progresses along the large faces 12, 12 'to the axis A of the mold to meet the paired blade 16' from the other small face 5 '.
  • a second stable mode is called “simple loop” (or “single roll”).
  • the above conditions as to the relative power of the incoming jets 1 are not satisfied.
  • the thrust of Archimedes gas bubbles dispersed in the metal stream, from the injection of argon in the nozzle, is then preponderant: shortly after the exit of the ears 2 of the nozzle, a current 9, coming from the almost all of the metal jet 1, goes back to the meniscus 4, which thus becomes the seat of a circulation of molten metal progressing from the nozzle 3 to each of the small faces 5 and 5 ', where, once reached, the surface current dips down the mold.
  • a first function is that of the "stirring" of the metal bath which provides a thermal homogenization to the meniscus. Otherwise, local temperature gradients are installed which lead irremediably heterogeneities of solidification of the first skin in contact with the cooled copper wall of the mold, with the consequences that are known on the appearance of cracks on the product being solidified and the risks of breakthroughs related to it.
  • a second function is the "washing" of the solidification front.
  • Gas bubbles or non-metallic particles inevitably present in the molten metal, are often trapped by the infractuosities of a solidification front in dendritic growth, to become what are usually called inclusions. If the velocity of the sweep current exceeds a threshold value, specific to each case, these gas bubbles and particles are released and entrained with the metal stream until settling on the surface where they will be trapped by the supernatant cover slag. Thus, the skin of the solidified cast product is found to be free of inclusions and the quality of the product obtained is good.
  • FIG. 2a The image, seen from above of the mold, of the natural circulatory movements of the metal generated by the meniscus is illustrated by the figure 2a .
  • the mold is of elongated rectangular cross-section defining the format of the slab to be cast.
  • the nozzle immersed 3 is centered on the casting axis A.
  • Four polyphase planar inductors (which will be assumed three-phase in this example) 10a, 10b, 10c and 10d magnetic field sliding along the width of the mold, are mounted opposite large faces 12 and 12 'of the mold with two inductors per large face.
  • the inductors 10a and 10b are mounted aligned on the large face 12 on either side of the nozzle 3, and the inductors 10c and 10d are likewise on the large opposite face 12 '.
  • the inductor 10a is both the symmetrical inductor 10d disposed vis-à-vis relative to the main median plane B, the symmetrical l inductor 10b arranged side by side with respect to the secondary median plane (not shown) and the symmetrical inductor 10c placed diagonally with respect to the casting axis 3 (located at the intersection of the main median plane B and of the secondary median plane).
  • this architecture is such that each inductor covers about a half width of large face 12, 12 'on which it is centered. This overlap may be only partial, because it is not necessary for the magnetic field to act up to the level of the small end faces 5, 5 ', or indeed at the nozzle 3. On the contrary, it may be useful to provide a free space, a few centimeters, between two inductors juxtaposed to allow to accommodate a mechanical reinforcement of the structure of the mold.
  • the driving forces of the liquid metal produced by two inductors side by side opposite a large face of the mold are of different intensity to each other.
  • this characteristic means, as shown in FIG. figure 3a , that the diagonal force torque pushing "inwards” (fat arrows) is of higher intensity than that of the other diagonal couple that pushes "outwards” (lean arrows)
  • the inductors 10a and 10c acting "against the current" of the natural meniscus flow (cf. Fig. 2a ), they have to produce a driving force greater than that of their neighboring inducer, 10b and 10d respectively, which act in "co-current" of the natural meniscus flow.
  • the inductors 10a and 10c acting "against the current" of the natural meniscus flow (cf. Fig. 2a ), they have to produce a driving force greater than that of their neighboring inducer, 10b and 10d respectively, which act in "co-current" of the natural meniscus flow.
  • the application of the set of couples of differentiated driving forces illustrated on the figure 3a leads to give the molten metal to the meniscus 4 an overall movement which passes from the natural configuration shown on the figure 2a , to an oblong gyratory configuration around the stable and well-formed casting axis A, as illustrated in FIG. figure 4 .
  • this gap will be all the greater as the circulation of the metal along the large walls is heterogeneous to better match the velocities of the metal moving with respect to each inductor plus the axial axial rotation movement of the metal to the meniscus will be homogeneous and well developed on the surface of the meniscus.
  • the position of the optimum setting will obviously vary with the peculiarities of each casting.
  • the difference between the intensities of the forces "pushing inwards” and the forces pushing “inwards” will preferably be set to zero, and the intensities increased. until the meniscus has an axial rotational movement that is as homogeneous as possible.
  • the two inductors placed diagonally to each other are connected to the same power supply.
  • the inductors 10a and 10c are thus connected to the power supply 15a and the inductors 10b and 10d are connected to the power supply 15b.
  • the order of the polarities to be respected is that which will ensure the sliding of the magnetic fields in the desired directions.
  • the inductors produce respective magnetic fields that slide horizontally as shown in FIGS. 1c and 2c in order to achieve a gyratory movement of the meniscus metal which, seen from above, develops in the clockwise direction as shown in FIG. the figure 3 . It is understood that if for any reason we wanted a counterclockwise movement to the meniscus, it would be enough to reverse the polarities of the inductors.
  • the power unit is composed of two identical identical power supplies 15a and 15b each provided with means for differentiating the intensities of the driving forces by torque of inductors.
  • Each pair of diagonally arranged inductors thus paired is connected to one and only one power supply: the torque 10a, 10c being supplied by the power supply 15a and the torque 10b, 10d by the power supply 15b.
  • these are polyphase feeds, preferably bi- or three-phase, so that the inductors can produce a sliding magnetic field.
  • VFVF Very Voltage Frequency
  • the power supply is regulated so that it is the power supply 15a which, by the choice of the intensity of current (and also of its frequency, if necessary), makes to produce at the two inductors diagonally 10a and 10c that it feeds, a driving force of the metal stronger than that produced by the two other diagonally inductors 10b and 10d, connected to the supply 15b.
  • the two power supplies 15a and 15b are set to make the four inductors produce the same intensity of current.
  • the two embodiments of the equipment according to the invention are distinguished by the control mode of these power supplies.
  • the control of the power supplies 15a and 15b according to the above criteria is effected by means of a regulator 13. Its function is to constantly adjust the difference between intensity of the currents to be applied between the pair of inductors which is to create the strongest force and the other pair, according to the information on the meniscus velocities that it receives from fluid velocity measuring means.
  • These measuring means consist of two velocity measuring probes 20 and 21. These probes dive weakly into the molten metal at distinct locations on the meniscus, on either side of the nozzle 3, preferably at an equal distance from the nozzle. it, and also at equal distance from the same large wall of the mold, here the large wall 12. It may be mechanical probes in which a torsion torque is formed under the impulse of the metal current, which depends therefore directly from the speed of the metal in flow. These speed sensors transmit their information to the regulator 13 in the form of signals carrying a sign indicating the direction of the measured speed.
  • the regulator 13 which receives these speed signals, makes the algebraic difference in order to develop a reference signal proportional to the difference in speeds and whose sign indicates which of the two metal currents in contact with the probes 20 and 21 on the one hand. and other of the nozzle, which is the strongest, and therefore which of the two pairs of inductors will generate the lowest thrust force.
  • This instruction will allow the power supplies 15a, 15b to deliver the appropriate current intensities to the inductors, differentiated intensities so with a difference between they will result in differentiated thrust forces whose action on the metal will lead to zero towards the target signal, guaranteeing the desired homogeneity of the rotational movement of the metal meniscus.
  • the regulator 13 proceeds to a first measurement of the velocities of the metal currents by the probes 20 and 21 placed in the vicinity of the wall 12 opposite the inductors 10b and 10a respectively and produces a signal representative of their difference. It is understood that this differential signal, in magnitude and sign, will depend on the natural flow mode of the metal in the mold. If necessary, please refer to Figures 2a and 2b to see that if the flow mode is in "simple loop" ( fig.2a ) the probe 20 will measure a speed much higher than that measured by the probe 21, and conversely if the flow is in "double loop" ( Fig. 2b ).
  • this differential signal will thus teach the regulator 13 on the identity of the flow mode, and its amplitude will enable it to develop the intensity difference signal for the control of the power supplies 15a, 15b. Then, the loop regulation forces can settle and take over for most of the casting period, regardless of changes in the natural flow mode of the mold bath.
  • the current intensity (and frequency) setpoint is preselected and applied to the four inductors at the start of the rotation of the metal, before the actual regulation phase.
  • This preselection will be done manually or automatically according to recorded values, for example in a programmable controller, depending on the cast metal grades and / or quality objectives sought.
  • a PLC PLC type for example
  • Such a PLC could contain the regulator 13.
  • the second embodiment variant of the equipment is based on a predictive approach to natural flows of molten metal.
  • the control of the power supplies 15a and 15b according to the criteria previously stated is effected by means of control means 16.
  • PLC Programmable Logic Controller
  • the PLC 16 receives the information it needs for this task by means 17 for identifying the flow mode of the metal bath in the mold.
  • these identification means therefore replace the speed sensors of the first embodiment, because these, as will be explained later, are not easy to implement in a continuous casting mold.
  • These identification means 17 consist of a standard PC type computer (Personal Computer) with a RAM which contains the tools necessary for this identification.
  • flow mode identification is not only the qualitative prediction that it is a flow of the "simple” or “double loop” or “unstable” type of flow. ", but also the quantitative prediction of the flow velocity of the metal to the meniscus, it being understood that a velocity predicted at zero is assimilated to an unstable state.
  • these tools will be constituted by appropriate software, built on a mathematical model of fluid mechanics able to predict the flow mode of the ingot mold from, on the one hand, two casting parameters fixed to This is the beginning of the mold thickness and the geometry of the nozzle and, on the other hand, of four variables that may vary during casting, such as the width of the slab, the casting speed, the depth of the slab immersion of the gills of the nozzle and the flow of argon injected. All these data, the fixed doublet as the variable quadruplet, are preferably introduced by automatic input from the general computer 19 of the casting installation and driving the casting operations.
  • the results produced by this software can be realized in the form of abacuses that the PLC can use in automatic reading or after their transcription in analytical form.
  • the results given by the PC 17 will, of course, be able to provide a numerical value of the average natural speed of the metal to the meniscus, a value that will allow the control PLC 16 to determine a deviation value, for example 200 A (ie 600 A for the two most active and 400 A for the other two if the initial current at startup has been preselected at 500 A) and instruct in this sense the power supplies 15a and 15b to deliver the current intensities corresponding to the pairs of inductors concerned.
  • a deviation value for example 200 A (ie 600 A for the two most active and 400 A for the other two if the initial current at startup has been preselected at 500 A) and instruct in this sense the power supplies 15a and 15b to deliver the current intensities corresponding to the pairs of inductors concerned.
  • the identification means 17 will therefore provide the control means 16 with a signal whose amplitude is proportional to the natural flow velocity of the molten metal to the meniscus and whose sign (depending on whether the direction of this velocity is inwards or outwards), provides information on the identity of the type of flow in "single loop" or "double loop".
  • the controller 16 determines which of the two pairs of inductors should create the greatest force depending on the type of flow prevailing. It also calculates the difference in intensity of the supply currents between the two pairs of inductors concerned so that this difference is proportional to the average speed of the meniscus metal and transmits the corresponding instructions to the power supplies 15a and 15b.
  • the PLC 16 receives from the PC 17 a signal of zero amplitude, it cancels the difference in intensity of the supply currents (and frequencies) and gives the same setpoint of supply current (and frequency) to the four inductors , setpoint corresponding to the preselected value or prerecorded according to cast metal grades and / or desired quality objectives.
  • the invention provides homogenization "in line" of the axial rotation of the meniscus metal during casting. Thanks to the automatic acquisition of the quadruplet of variable parameters which conditions the flow mode, it will be possible at any moment, in response to the values of these quadruplets arriving at the PC 17 as the casting takes place, to apply the appropriate differentiation to the forces of thrust of the inductors which will permanently ensure the achievement of a meniscus in homogeneous rotation, whatever the flow patterns that could succeed in the ingot mold during casting.
  • the invention provides an optimal active "cover" of the casting for the entirety of its duration, or its quasi-completeness with regard to the possible sequences of unstable flow.
  • the inductors forming a pair connected to a given power supply, 15a or 15b can be electrically connected to each other in parallel as shown in FIGS. Figures 5 and 6 , or in series.
  • the number of inductors may be greater than four, it being understood in this case that this number must remain even in order to provide each large face of the mold with the same number of inductors.

Landscapes

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

Description

  • La présente invention a trait à la coulée continue de brames métalliques, notamment en acier. Elle concerne plus particulièrement la mise en oeuvre de champs magnétiques glissants en lingotière dont l'action sur le métal liquide coulé confère à ce dernier un mouvement de rotation autour de l'axe de coulée.
  • On sait que la coulée continue de brames en acier s'effectue classiquement dans une lingotière verticale, ou essentiellement verticale, composée de deux grandes faces (ou parois) en regard l'une de l'autre, en cuivre ou alliage de cuivre, énergiquement refroidies par circulation d'eau, et de deux petites faces latérales montées de façon étanche au droit de l'extrémité des grandes faces pour définir avec elles un espace de coulée qui va déterminer le format du produit coulé. Le métal en fusion est déversé par gravité dans cet espace où il va progressivement se solidifier au contact des parois métalliques refroidies de la lingotière à mesure que le brin solidifié en périphérie est extrait vers le bas pour achever sa solidification dans les étages du refroidissement secondaire de la machine de coulée. Ainsi, durant tout le processus de coulée, du métal en fusion rempli l'espace de coulée jusqu'à un certain niveau en hauteur pour y former un ménisque (surface libre du métal liquide) recouvert d'un laitier et un flux régulier de métal en fusion est continûment amené en lingotière à l'aide d'une busette immergée (de quelques dizaines de centimètres sous le ménisque) généralement unique et centrée sur l'axe de coulée, et dotée d'ouïes de sortie latérales qui s'ouvrent en regard des petites faces d'extrémité.
  • Les bases de la mise en rotation axiale du métal en fusion au niveau du ménisque dans une lingotière de coulée continue de brames à l'aide de champs magnétiques glissants sont déjà établies et bien connues. Schématiquement, elles consistent à conférer au métal une rotation d'ensemble autour de l'axe de coulée dans un mouvement oblong unique par la mise en oeuvre de forces d'entraînement produites par des champs magnétiques glissant horizontalement générés par des inducteurs polyphasés statiques montés sur les grandes faces de la lingotière.
  • Par exemple, le document EP 0151 648 propose de mettre en oeuvre quatre inducteurs identiques distincts montés symétriquement sur les grandes faces de la lingotière, à raison de deux inducteurs par grande face, placés de part et d'autre de la busette, chacun recouvrant partiellement une demi largeur de la grande face qui les reçoit, entre la busette et les petites faces d'extrémité. Ces inducteurs, triphasés, génèrent chacun un champ magnétique glissant horizontalement, dont le sens de glissement est le même sur les deux inducteurs d'une même face et à l'opposé de ceux produits par les deux inducteurs en vis-à-vis sur l'autre grande face. Il résulte alors, de l'interaction entre le champ magnétique généré par un inducteur quelconque et le métal en fusion au voisinage de cet inducteur, une force de poussée sur le métal selon la largeur de la lingotière. De cette interaction, répétée quatre fois dans la section droite de la lingotière, à savoir une par inducteur, s'installe un système à quatre forces d'entraînement dont deux, situées en diagonale par rapport à l'axe de coulée, poussent le métal de la busette vers les petites faces, donc vers "l'extérieur",alors que les deux autres forces, en vis à vis sur l'autre diagonale, poussent le métal vers "l'intérieur", des petites faces vers la busette.
  • Autre exemple: la Demande de Brevet japonais JP 57075268 retient, elle, le principe d'un inducteur partiel unique par grande face. Chaque inducteur, en position diagonale l'un de l'autre par rapport à l'axe de coulée, occupe environ les ¾ de sa grande face d'accueil. Le ¼ restant est ainsi laissé libre de toute action du champ glissant pour permettre au courant de métal en rotation de ralentir avant la rencontre frontale avec la petite face d'extrémité à angle droit afin que l'énergie d'impact soit atténuée.
  • Dans le même esprit, le brevet européen EP n° 0096077 propose, lui, un équipement configuré sur la base de trois inducteurs alignés par grande face, générant conjointement des champs magnétiques glissant horizontalement dans le même sens, mais associés à des moyens permettant de les faire agir avec des forces de poussée différenciées sur le métal coulé. Pris dans le sens de glissement du champ, le premier inducteur, au voisinage d'une petite face d'extrémité donc, assurerait la mise en vitesse de la masse de métal en fusion en regard, le second en assurerait le maintien en vitesse dans la partie médiane de la grande face, alors que le troisième serait réglé pour permettre une décélération du flux de métal qui passe devant lui avant l'impact frontal sur l'autre petite face d'extrémité.
  • Plus récemment, le brevet européen EP 0750958 semble franchir encore une autre étape en proposant un équipement pour la mise en rotation du métal au ménisque constitué par un inducteur intégral unique par grande face, donc du type décrit dans JP 57075268 cité auparavant, mais servi par une connectique complexe qui le relie à son alimentation électrique triphasée. Cette sophistication du montage électrique, appliquée à un inducteur de conception ancienne, vise à permettre la mise en oeuvre, là aussi, de moyens pour moduler la force d'entraînement selon la largeur de la lingotière. Le but ainsi visé est que la force soit plus intense dans la région d'extrémité d'une grande face pour "pousser" le métal en fusion vers l'extérieur que celle agissant dans la même région d'extrémité en regard sur l'autre grande face et orientée en sens inverse (poussant donc vers l'intérieur). S'inscrivant ainsi à contre-pied des considérations précédentes sur le ralentissement souhaitable du courant de métal avant l'impact frontal contre les petites faces d'extrémités, cette façon d'opérer permettrait, selon ce document, à bien uniformiser à la fois le mouvement de rotation axiale du métal au ménisque et la température du métal au contact de la paroi de la lingotière à cet endroit. En fait, bien que ce document ne soit pas explicite sur ce point, il apparaît à l'analyse que l'atteinte d'un tel objectif, avec les moyens mis en oeuvre qui viennent d'être rappelés, n'est réellement envisageable que si l'hydrodynamique naturelle du bain métallique en lingotière présente une configuration de type "double boucle".
  • On rappellera plus loin ce que recouvre cette expression en termes de description d'un mode de circulation du métal en fusion au sein de la lingotière, par opposition au mode "simple boucle" notamment. Dans l'immédiat, on constatera que si les propositions de solution pour la mise en rotation axiale oblongue du métal au ménisque sont si prolixes et depuis tant d'années dans la littérature, c'est qu'une solution optimale n'a pas encore été trouvée. Or, c'est précisément parce que la présente invention prend en compte au premier degré d'importance le mode de circulation du métal en fusion au sein de la lingotière, qu'elle prétend à ce titre de solution optimale pour assurer au ménisque un mouvement de rotation axiale oblong stable et homogène du métal liquide tout du long, ou quasiment tout du long, de la coulée.
  • A cet effet, l'invention a d'abord pour objet un procédé pour une mise en rotation électromagnétique axiale oblongue du métal en fusion dans une lingotière de coulée continue de brames pourvue d'une busette de coulée immergée centrée sur l'axe de coulée et présentant des ouïes de sortie latérales ouvertes en regard des petites faces d'extrémité de la lingotière, procédé dans lequel on a monté au moins quatre inducteurs polyphasés à champ magnétique glissant selon la largeur de la lingotière sur les grandes faces de la lingotière à raison de deux inducteurs par grande face, et l'on a réglé les inducteurs disposés côte à côte sur une même grande face de la lingotière pour créer un système à quatre forces d'entraînement dont les deux forces attachées à une paire quelconque d'inducteurs situés en diagonale l'un de l'autre par rapport à l'axe de coulée poussent le métal de la busette vers les petites faces, donc "vers l'extérieur", alors que les autres deux forces, attachées elles à l'autre paire d'inducteurs situés en diagonale l'un de l'autre, poussent le métal des petites faces vers la busette, donc "vers l'intérieur", la mise en oeuvre conjointe de ces quatre forces conférant globalement au métal en fusion un mouvement de rotation axial oblong au ménisque,
    procédé caractérisé en ce que, dans le but d'homogénéiser ledit mouvement de rotation au ménisque au cours de la coulée, on règle l'intensité desdites forces d'entraînement de manière différenciée entre elles de façon que, pris au voisinage d'une grande face, si l'écoulement naturel du métal y est plus fort en progressant "vers l'intérieur" que "vers l'extérieur", on applique les intensités les plus élevées aux deux forces qui poussent le métal "vers l'extérieur", et inversement, si ledit écoulement y est moins fort en progressant "vers l'intérieur" que "vers l'extérieur", on applique les intensités les plus élevées aux deux forces qui poussent le métal "vers l'intérieur".
  • On entend par "écoulement naturel du métal" l'écoulement qui s'établit en fonction des conditions de coulée sans que les inducteurs soient alimentés en courant.
  • Dans une mise en oeuvre préférée, on égalise entre elles les intensités des forces d'entraînement de chaque paire d'inducteurs situés en diagonale l'un de l'autre par rapport à l'axe de coulée.
  • Dans une autre mise en oeuvre préférée, on égalise toutes les forces d'entraînement entre elles en intensité si et seulement si le mode d'écoulement naturel du bain de métal en lingotière est du type "écoulement instable".
  • Conformément à une première variante principale de ce procédé, dans laquelle on prend en compte directement la circulation du métal en fusion au ménisque, on mesure au voisinage de la même grande face de la lingotière, la vitesse au ménisque du métal en fusion dont l'écoulement progresse "vers l'intérieur" et celui dont l'écoulement progresse "vers l'extérieur", on élabore un signal différentiel représentatif, en amplitude et en signe, de la différence entre desdites vitesses mesurées, et on règle la différenciation desdites forces d'entraînement, entre forces poussant "vers l'intérieur" et celles poussant "vers l'extérieur", en leur appliquant un écart d'intensité qui, en permanence, fait tendre ledit signal différentiel vers zéro.
  • Conformément à une seconde variante principale, dans laquelle on prend en compte de manière prédictive la circulation du métal au ménisque, on prédit le mode d'écoulement naturel du métal en fusion au sein de la lingotière par la prise en compte de paramètres propres à la coulée, puis on différencie les forces d'entraînement entre elles de manière à intensifier davantage les forces qui poussent le métal "vers l'intérieur" si le mode d'écoulement naturel du bain de métal est du type "simple boucle", et inversement, de manière à intensifier davantage les forces qui poussent le métal "vers l'extérieur", si le mode d'écoulement naturel du bain de métal est du type "double boucle".
  • De préférence, on prédit, non seulement le mode d'écoulement naturel, mais également la vitesse naturelle de circulation du métal au ménisque et on règle la différence entre les forces d'entraînement poussant "vers l'extérieur" et celles poussant "vers l'intérieur" de manière que cette différence soit proportionnelle à ladite vitesse naturelle prédite au ménisque.
  • L'invention a également pour objet un équipement électromagnétique pour l'exécution du procédé dans sa variante dans laquelle la vitesse de circulation du métal en fusion au ménisque est mesurée pour réaliser une mise en rotation oblongue du métal en fusion dans la partie supérieure d'une lingotière de coulée continue de brames pourvue d'une busette de coulée immergée centrée sur l'axe de coulée et présentant des ouïes de sortie latérales ouvertes en regard des petites faces d'extrémité de la lingotière, équipement comprenant au moins quatre inducteurs polyphasés distincts à champ magnétique glissant montés sur les grandes faces de la lingotière à raison de deux inducteurs par grande face, les inducteurs disposés côte à côte sur une même grande face de la lingotière produisant des forces d'entraînement qui poussent le métal en fusion selon la largeur de la lingotière dans le même sens entre elles et dans un sens opposé de celui des forces d'entraînement produites par les deux inducteurs en vis-à-vis sur l'autre grande face, de sorte que se crée un système à quatre forces dont les deux forces attachées à une paire quelconque d'inducteurs situés en diagonale par rapport à l'axe de coulée poussent le métal de la busette vers les petites faces, donc "vers l'extérieur", alors que les autres deux forces, attachées elles à l'autre paire d'inducteurs en diagonale, poussent le métal "vers l'intérieur", des petites faces vers la busette et caractérisé en ce qu'il comprend, dans le but de réaliser au ménisque le mouvement homogène de rotation axiale:
    • une unité d'alimentation polyphasée des inducteurs en courant électrique dotée de moyens pour différencier les forces d'entraînement de chaque inducteur sur le métal en fusion coulé en lingotière;
    • des moyens de mesure de vitesse pour mesurer, au voisinage de la même grande face de la lingotière, les vitesses au ménisque du métal en fusion dont l'écoulement progresse "vers l'intérieur" et celui dont l'écoulement progresse "vers l'extérieur" et pour élaborer un signal différentiel représentatif, en amplitude et en signe, de la différence entre lesdites vitesses mesurées;
    • et des moyens de contrôle de l'unité d'alimentation électrique aptes, en réponse audit signal différentiel, à intervenir sur lesdits moyens de différenciation des forces d'entraînement pour faire tendre vers zéro ledit signal différentiel.
    L'invention a encore pour objet un équipement électromagnétique pour l'exécution du procédé dans sa variante dans laquelle la circulation du métal en fusion au ménisque est prise en compte de manière prédictive pour obtenir une mise en rotation axiale oblongue d'un bain de métal en fusion dans une lingotière de coulée continue de brames pourvue d'une busette de coulée immergée centrée sur l'axe de coulée et présentant des ouïes de sortie latérales ouvertes en regard des petites faces d'extrémité de la lingotière, équipement comprenant au moins quatre inducteurs polyphasés à champ magnétique glissant montés sur les grandes faces de la lingotière à raison de deux inducteurs par grande face, les inducteurs disposés côte à côte sur une même grande face de la lingotière produisant,des forces d'entraînement qui poussent le métal en fusion selon la largeur de la lingotière dans le même sens entre elles et dans un sens opposé de celui des forces d'entraînement produites par les deux inducteurs en vis-à-vis sur l'autre grande face de sorte que se crée un système à quatre forces dont les deux forces attachées à une paire quelconque d'inducteurs situés en diagonale par rapport à l'axe de coulée poussent le métal de la busette vers les petites faces, donc "vers l'extérieur", alors que les autres deux forces, attachées elles à l'autre paire d'inducteurs en diagonale, poussent le métal "vers l'intérieur", des petites faces vers la busette, équipement caractérisé en ce qu'il comprend, dans le but de réaliser au ménisque le mouvement homogène de rotation axiale:
    • une unité d'alimentation polyphasée des inducteurs en courant électrique dotée de moyens pour différencier les forces d'entraînement de chaque inducteur sur le métal en fusion coulé en lingotière;
    • des moyens pour identifier le mode d'écoulement naturel du bain de métal en fusion au sein de la lingotière;
    • et des moyens de contrôle de l'alimentation électrique aptes, en réponse aux moyens d'identification des modes d'écoulement, à intervenir sur lesdits moyens de différenciation des forces d'entraînement de manière à intensifier davantage les forces qui poussent le métal "vers l'intérieur" si le mode d'écoulement naturel du bain de métal est du type "simple boucle", et inversement à intensifier davantage les forces qui poussent le métal "vers l'extérieur" si le mode d'écoulement naturel du bain de métal est du type "double boucle".
  • Dans une variante de réalisation préférée, lesdits moyens de contrôle de l'alimentation interviennent sur les moyens de différenciation des intensités des forces d'entraînement afin d'égaliser l'intensité de toutes les forces si et seulement si le mode d'écoulement naturel du bain de métal est du type "écoulement instable".
  • Dans une variante de réalisation préférée, complètement automatisée, les moyens d'identification du mode d'écoulement du bain métallique au sein de la lingotière de coulée sont de nature prédictive et constitués par un système informatique comprenant un ordinateur programmé à mémoire vive dans laquelle sont enregistrées des abaques d'identification (et/ou leur forme analytique) construites à l'aide d'un modèle mathématique de la mécanique des fluides décrivant les écoulements naturels à partir des paramètres de coulée que sont le débit d'argon, la section droite de la brame coulée, la géométrie et la profondeur d'immersion de la busette, et la vitesse de coulée.
  • Il convient à ce stade de rappeler ce qu'il faut entendre par "simple boucle", "double boucle" et "écoulement instable" quand on évoque les configurations possibles prises par l'hydrodynamique naturelle d'un bain de métal au sein d'une lingotière à brames au cours de la coulée. Comme on l'aura compris, conformément aux fondements même de l'invention, ce sont en effet ces configurations, et elles seules qui conditionneront la topologie du champ de forces électromagnétiques d'entraînement à appliquer en lingotière pour conférer au ménisque un mouvement de rotation axiale oblong, homogène et bien développé. De même, il semble opportun de préciser aussi ce qu'il faut entendre par mouvement de rotation homogène, ainsi que les bienfaits que l'on est en droit d'attendre sur la qualité du métal coulé.
  • On va apporter ces précisions dans le cadre d'une description plus circonstanciée de l'invention et des moyens de sa mise en oeuvre, donnée en référence aux planches de dessins annexées, données à titre d'exemple, et sur lesquelles:
    • les figures 1a et 1b illustrent respectivement une configuration de type "simple boucle" et une configuration de type "double boucle", tel qu'elles se développent en cours de coulée au sein d'une lingotière de coulée continue de brames dans le plan principal médian B de la lingotière parallèle à ses grandes faces et passant par l'axe de coulée sur lequel est centrée la busette de coulée;
    • les figures 2a et 2b illustrent, vu du dessus de la lingotière, les mouvements de circulation du métal au ménisque dans le cas d'un d'écoulement naturel de type "simple boucle"et respectivement "double boucle" du métal en fusion dans la lingotière;
    • la figure 3a schématise la cartographie du champ de forces électromagnétiques d'entraînement selon l'invention au niveau du ménisque à appliquer à un écoulement naturel du métal en fusion de type "simple boucle" de la figure 2a;
    • la figure 3b schématise l'autre cartographie du champ de forces électromagnétiques d'entraînement selon l'invention au niveau du ménisque à appliquer à écoulement naturel du métal en fusion de type "double boucle" de la figure 2b;
    • la figure 4 représente, vu du dessus également, le mouvement circulatoire homogène du métal en fusion obtenu au ménisque par l'application du champ de forces d'entraînement selon la figure 3a à la topologie de mouvements en surface de type "simple boucle" de la figure 2a, ou par application du champ de forces selon la figure 3b à la topologie de mouvements en surface de type "double boucle" de la figure 2b;
    • la figure 5 schématise la réalisation d'un équipement selon l'invention dans sa version de contrôle, par la mesure, du mode d'écoulement du métal en fusion au ménisque d'une lingotière de coulée continue de brames en acier pour y réaliser le mouvement homogène de rotation axiale du métal en fusion de la figure 4;
    • la figure 6 schématise la réalisation d'un équipement selon l'invention dans sa version de contrôle, par prédiction, du mode d'écoulement naturel du métal en fusion au sein d'une lingotière de coulée continue de brames en acier pour réaliser au ménisque le mouvement homogène de rotation axiale du métal de la figure 4.
  • Sur les figures, les mêmes éléments sont désignés par des références identiques.
  • Avant tout, il convient de rappeler que la force électromagnétique F, agissant sur un volume élémentaire de métal liquide pour l'entraîner dans le sens de propagation du champ magnétique qui crée cette force, peut être bien approchée par la relation F = σ .V. Beff 2, où σ est la conductivité électrique du métal, Beff est l'intensité efficace de l'induction magnétique et V est la vitesse relative du glissement du champ par rapport au métal. Cette vitesse relative est donnée par la relation V = 2 τ. f, - v où τ est le pas polaire de l'inducteur, f la fréquence du courant électrique alimentant cet inducteur et v la vitesse du métal soumis au champ, supposé progressant dans le même sens que le champ. On rappelle aussi que Beff est directement issue, via le théorème d'Ampère, de l'intensité efficace Ieff du courant électrique passant dans les conducteurs de l'inducteur.
  • Puisqu'en règle générale le pas polaire τ de l'inducteur est une grandeur fixe, imposée par construction, on voit que l'on peut contrôler l'intensité de la force d'entraînement F soit par l'intensité Ieff du courant électrique d'alimentation, soit par la fréquence f de ce courant si l'on dispose à cet effet d'une alimentation électrique à fréquence variable. Pour la suite, on supposera pour simplifier que la force d'entraînement est contrôlée par l'intensité du courant électrique d'alimentation, l'alimentation électrique étant réglée pour que la fréquence de ce dernier se situe à une valeur basse, de 3 Hz, voire moins, pour obtenir une profondeur de pénétration suffisante de l'induction magnétique dans le métal en fusion au voisinage de l'inducteur compte tenu de l'épaisseur de la paroi de la lingotière à traverser et de la composition du métal dont elle est formée
  • Par souci de clarté, on s'est attaché à expliciter la mise en oeuvre de l'invention en termes de forces d'entraînement du métal liquide, plutôt qu'en termes de champs magnétiques glissants, étant entendu que ce sont ces champs qui produisent ces forces par interaction avec le métal et que ces champs sont générés par les inducteurs dont on pilote le fonctionnement en contrôlant le courant électrique (intensité ou fréquence) qui les alimente.
  • Concernant maintenant l'hydrodynamique naturelle d'un bain de métal en fusion au sein d'une lingotière de coulée continue de brames alimentée en métal en fusion par une busette immergée centrale à ouies de sortie latérales, on a pu mettre en évidence que cette hydrodynamique pouvait se manifester selon trois modes de circulation possibles, deux modes principaux stables et un mode instable.
  • Un premier mode stable est le mode "double boucle" (plus connu sous la dénomination anglaise de "double roll"). Selon ce mode, illustré par les figures 1b et 2b, chaque jet de métal 1, qui arrive en lingotière par une ouie latérale 2 de la busette immergée 3 centrée sur l'axe de coulée A, parvient sur une petite face d'extrémité 5 de la lingotière avec une incidence et une quantité de mouvement telles qu'il se partage après l'impact en deux courants opposés 7 et 8. Un courant 8 descend en profondeur et un courant 7 remonte, lui, le long de la petite face 5 jusqu'au ménisque 4 où, une fois parvenu à ce niveau, il se développe en une lame 16 qui progresse le long des grandes faces 12, 12' vers l'axe A de la lingotière pour y rencontrer la lame appariée 16' venant de l'autre petite face 5'.
  • Un second mode stable est dit "simple boucle" (ou "single roll"). Dans ce mode, illustré par les figures la et 2a, les conditions précédentes quant à la puissance relative des jets entrants 1 ne sont pas satisfaites. La poussée d'Archimède des bulles de gaz dispersées dans le courant de métal, provenant de l'injection d'argon dans la busette, est alors prépondérante: peu après la sortie des ouies 2 de la busette, un courant 9, venant de la quasi totalité du jet de métal 1, remonte vers le ménisque 4, lequel devient ainsi le siège d'une circulation du métal en fusion progressant de la busette 3 vers chacune des petites faces 5 et 5', où, une fois parvenu, le courant de surface plonge vers le bas de la lingotière.
  • Au besoin, on trouvera une description circonstanciée de ces deux modes d'écoulement du métal dans l'article de Pierre H. Dauby et al. présenté au 4e congrès européen sur la Coulée Continue tenu les 14, 15 et 16 octobre 2002 à Birmingham (G-B) sous le titre "On the effect of liquid steel flow pattern on slab quality and the need for dynamic electromagnetic control in the mold ".
  • Ces deux modes principaux sont complétés par un mode, non représenté car heureusement moins fréquent, qui exprime des instabilités, en général transitoires, mais pas toujours, des écoulements au sein de la lingotière. Il est connu qu'une cause réside dans le fait, qu'au cours de la coulée, un paramètre de coulée se modifie, soit intentionnellement (changements de formats en cours de coulée, par exemple) soit fortuitement (débit d'argon par exemple). Cela peut suffire pour imposer à la circulation du métal en lingotière une transition entre un écoulement "simple boucle" et un écoulement "double boucle", et vice versa, sans que personne ne puisse rien faire contre, ni même le savoir. Une autre cause peut être trouvée dans la survenue d'une dissymétrie dans les jets sortants, suite par exemple à l'apparition d'un bouchage partiel d'une ouie latérale de la busette. Une autre raison encore, peut être la plus fréquente d'ailleurs, peut être une combinaison "défavorable" des valeurs des quatre paramètres essentiels qui régissent la coulée (largeur de brame, vitesse de coulée, débit d'argon et profondeur d'immersion des ouïes de la busette) qui génère alors des phénomènes hydrodynamiques chaotiques mettant en oeuvre des distributions spatiales d'énergie complexes et aléatoires, pouvant apparaître comme une oscillation permanente entre un mode "double boucle" et un mode "simple boucle", et inversement. Il est difficile en fait de décrire simplement ce troisième mode autrement qu'en évoquant des phénomènes de balancements "gauche-droite" de la masse métallique en fusion dans la lingotière de part et d'autre de la busette avec des répercussions au niveau du ménisque sous forme de roulis et de tangages, pouvant mettre en cause la réussite même de la coulée s'ils persistent trop longtemps. On conviendra d'identifier ce mode "d'écoulement instable" si la mesure de vitesse du métal au ménisque, prise par exemple à mi-distance environ entre la busette et une petite face, fluctue en donnant un résultat nul en moyenne.
  • Ces rappels faits, il convient de préciser également ce qu'il faut entendre par "homogène" quand ce terme est utilisé pour qualifier le mouvement de rotation axial du métal en fusion au ménisque, ainsi que l'intérêt métallurgique d'une telle rotation axiale, telle qu'on peut la voir schématisée sur la figure 4. Un mouvement homogène de rotation axiale du métal en fusion au ménisque est constitué lorsque, en tous points du ménisque, les vitesses le long des parois sont partout égales (ou sensiblement égales). Sinon, le métal en fusion étant un liquide incompressible, il se crée inévitablement, de manière sporadique et incontrôlable, des mini-circuits de recirculation qui peuvent dégénérer en vortex locaux très néfastes à la propreté métallurgique du métal coulé, comme on le sait.
  • Cela dit, l'intérêt en soi d'une mise en rotation axiale du métal au ménisque résulte en fait des deux fonctions principales dévolues à ce mouvement giratoire.
  • Une première fonction est celle du "touillage" du bain de métal qui procure une homogénéisation thermique au ménisque. Sinon, des gradients locaux de température s'y installent qui conduisent irrémédiablement à des hétérogénéités de solidification de la première peau au contact de la paroi en cuivre refroidie de la lingotière, avec les conséquences que l'on connaît sur l'apparition de criques sur le produit en cours de solidification et les risques de percées qui lui sont liés.
  • Une deuxième fonction est le "lavage" du front de solidification. Des bulles de gaz ou des particules non métalliques, inévitablement présentes au sein du métal en fusion, se retrouvent souvent piégées par les infractuosités d'un front de solidification en croissance dendritique, pour devenir ce que l'on nomme habituellement des inclusions. Si la vitesse du courant de balayage dépasse une valeur seuil, propre à chaque cas, ces bulles de gaz et particules sont libérées et entraînées avec le courant de métal jusqu'à décanter en surface où elles seront piégées par le laitier de couverture surnageant. Ainsi, la peau du produit coulé solidifié se retrouve exempte d'inclusions et la qualité du produit obtenu est bonne.
  • A noter que ce lavage du front naissant par un courant de métal le balayant horizontalement contribue aussi à l'homogénéité en température de la surface libre du métal en fusion en y uniformisant les vitesses. Comme déjà souligné, l'acier en fusion étant un liquide, donc un état incompressible de la matière, toutes hétérogénéités de vitesse à la surface peuvent être la cause d'apparitions sporadiques de vortex locaux à l'origine de pollution du métal par entraînement de poudre de couverture en profondeur dans le bain métallique.
  • Ces rappels étant faits, on se place à présent d'abord dans l'hypothèse où la circulation du bain métallique est en mode "simple boucle".
  • L'image, vue du dessus de la lingotière, des mouvements circulatoires naturels du métal engendrés au ménisque est illustrée par la figure 2a. Comme on le voit, on a affaire, en quelque sorte, à deux têtes de balais de paille antagonistes se développant de part et d'autre au voisinage de la busette 3, et dont les brins naissants 1, encore regroupés au niveau de la busette (les jets sortants 1), s'écartent rapidement pour s'étendre en un faisceau de brins parallèles 9 progressant jusqu'au voisinage des petites faces 5 où ils se courbent alors vers le bas pour descendre dans les profondeurs de la lingotière (cf. fig. 1a).
  • On se reporte maintenant à la figure appariée 3a qui illustre une mise en oeuvre de l'invention adaptée au cas du "simple boucle". La lingotière est de section droite rectangulaire allongée définissant le format de la brame à couler. La busette immergée 3 est centrée sur l'axe de coulée A.. Quatre inducteurs plans polyphasés (que l'on admettra triphasés dans cet exemple) 10a, 10b, 10c et 10d à champ magnétique glissant selon la largeur de la lingotière, sont montés en regard des grandes faces 12 et 12' de la lingotière à raison de deux inducteurs par grande face. Les inducteurs 10a et 10b sont montés alignés sur la grande face 12 de part et d'autre de la busette 3, et les inducteurs 10c et 10 d le sont de même sur la grande face opposée 12'. Ces quatre inducteurs forment un ensemble symétrique dans la géométrie de la lingotière, à la fois de symétrie axiale par rapport à l'axe de coulée A et de symétrie plane par rapport au plan médian principal B de la lingotière parallèle aux grandes faces 12, 12' et passant par l'axe de coulée A. Ainsi, par exemple, l'inducteur 10a est à la fois le symétrique de l'inducteur 10d disposé en vis-à-vis par rapport au plan médian principal B, le symétrique de l'inducteur 10b disposé cote à cote par rapport au plan médian secondaire (non représenté) et le symétrique de l'inducteur 10c placé en diagonale par rapport à l'axe de coulée 3 (situé lui à l'intersection du plan médian principal B et du plan médian secondaire).
  • Comme on le voit, cette architecture est telle que chaque inducteur recouvre environ une demie largeur de grande face 12, 12' sur laquelle il est centré. Ce recouvrement peut n'être que partiel, car il n'est pas nécessaire que le champ magnétique agisse jusqu'au niveau des petites faces d'extrémité 5, 5', ni d'ailleurs au niveau de la busette 3. Au contraire, il peut être utile de ménager un espace libre, de quelques centimètres, entre deux inducteurs juxtaposés pour permettre d'y loger un renforcement mécanique de la structure de la lingotière.
  • La connexion des inducteurs à leur alimentation électrique est telle que les inducteurs disposés côte à côte sur une même grande face de la lingotière produisent des champs magnétiques qui glissent dans le même sens entre eux et dans un sens opposé de celui des champs magnétiques produits par les deux inducteurs en vis-à-vis sur l'autre grande face. En présence de métal en fusion dans la lingotière, il en résulte un système de quatre forces d'entraînement, attachées chacune à un inducteur distinct:
    • un premier couple de forces, en regard l'une de l'autre en diagonale sur chaque grande face 12 et 12' (les forces attachées aux inducteurs 10a et 10c), poussant le métal des petites faces 5 et 5' vers l'axe de coulée 3, et que l'on nommera, pour simplifier, forces poussant "vers l'intérieur";
    • et un second couple de forces, en regard l'une de l'autre selon l'autre diagonale (les forces attachées aux inducteurs 10b et 10d), poussant le métal depuis l'axe de coulé 3 vers les petites faces 5, 5' et que l'on nommera forces poussant "vers l'extérieur".
  • Par souci de clarté, ces forces sont représentées à l'aide de vecteurs placés à l'intérieur de la lingotière au voisinage des grandes parois, le long des inducteurs concernés
  • Conformément à une caractéristique essentielle de l'invention, les forces d'entraînement du métal liquide produites par deux inducteurs côte à côte en regard d'une grande face de la lingotière sont d'intensité différentes entre elles
  • Appliqué au cas présent d'une circulation du métal de type "simple boucle" au sein de la lingotière, cette caractéristique signifie, comme le montre la figure 3a, que le couple de forces en diagonale poussant "vers l'intérieur" (flèches grasses) est d'intensité plus élevée que celui de l'autre couple en diagonale qui pousse "vers l'extérieur" (flèches maigres)
  • En effet, les inducteurs 10a et 10c agissant à "contre-courant" de l'écoulement naturel au ménisque (cf. fig. 2a), ils ont à produire une force d'entraînement supérieure à celle de leur inducteur voisin, 10b et 10d respectivement, qui eux agissent à "co-courant" de l'écoulement naturel au ménisque. Ceci, on l'aura compris, afin de viser l'obtention d'un écoulement forcé ayant une vitesse sensiblement identique en intensité en tous points de la largeur de la largeur de la lingotière au voisinage des grandes faces. Si les forces de deux inducteurs côte à côte sur une grande face étaient égales, celle poussant "vers l'intérieur" et devant donc vaincre le contre-courant de l'écoulement naturel sur la demie largeur considérée, produirait un écoulement immanquablement moins fort que sur l'autre demie largeur à coté, ce qui conduirait à un écoulement global hétérogène.
  • Dès lors, on comprend que, conformément à l'invention, l'application du jeu de couples de forces d'entraînement différenciés illustrés sur la figure 3a (les forces 10a ,10c poussent plus fortement que les forces 10b,10d) conduit à donner au métal en fusion au ménisque 4 un mouvement d'ensemble qui passe de la configuration naturelle montrée sur la figure 2a, à une configuration giratoire oblongue autour de l'axe de coulée A stable et bien formée, telle qu'illustrée sur la figure 4.
  • Comme déjà souligné, c'est l'intensité des courants électriques alimentant les inducteurs qui est l'actionneur privilégié pour piloter les intensités des forces et donc leurs écarts entre couples poussant "vers l'intérieur" et couples poussant "vers l'extérieur" pour la mise en oeuvre de l'invention. Ainsi, cet écart sera d'autant plus grand que la circulation du métal le long des grandes parois est hétérogène pour permettre de mieux égaler les vitesses du métal en déplacement en regard de chaque inducteur plus le mouvement de rotation axiale oblong du métal au ménisque sera homogène et bien développé à la surface du ménisque. La position du réglage optimum variera évidemment avec les particularités propres de chaque coulée. On pourra l'atteindre, en tous cas s'en rapprocher, par exemple en mettant en place des instruments de mesure directe de la vitesse locale au ménisque, de part et d'autre de la busette, pour une régulation des forces d'entraînement, ou par une gestion prédictive, et que l'on décrira plus loin en référence aux figures 5 et 6.
  • Un résultat analogue quant au caractère stable et homogène du mouvement de rotation du métal au ménisque sera également obtenu dans le cas où le mode de circulation naturelle du bain métallique en lingotière est du type "double boucle" (cf. fig. 2b)
  • En se reportant à cet effet, à la figure 3b, on constate que la disposition contraire à celle de la figure 3a prévaut: c'est le couple de forces 10b,10d poussant "vers l'extérieur" qui est sur énergisé cette fois par rapport au couple 10a, 10c poussant "vers l'intérieur". Cette disposition respectée, l'application d'un tel jeu de couples de forces différenciés conduit à donner au métal en fusion au ménisque un mouvement d'ensemble qui passe de la configuration naturelle de la figure 2b à une configuration giratoire oblongue autour de l'axe de coulée A stable et homogène, telle qu'illustrée sur la figure 4.
  • En revanche, dans le cas d'un "écoulement instable", l'écart entre les intensités des forces poussant "vers l'intérieur" et des forces poussant "vers l'intérieur" sera de préférence mis à zéro, et les intensités augmentées jusqu'à obtenir au ménisque un mouvement de rotation axiale qui soit le plus homogène possible.
  • On va maintenant, en référence conjointe d'abord aux figures 5 et 6, décrire plus concrètement la constitution d'un équipement électromagnétique conforme à l'invention, selon deux variantes de réalisation,, ainsi que les connexions électriques des quatre inducteurs entre eux et avec leur unité d'alimentation électrique polyphasée. L'équipement est montré monté en position fonctionnelle sur une lingotière de coulée de brames dont on a simplement représenté la busette immergée unique 3 centrée sur l'axe de coulée A, les grandes faces 12, 12' et les petites faces d'extrémités 5, pour ne pas surcharger inutilement la figure.
  • Dans l'exemple considéré, les deux inducteurs placés en diagonale l'un de l'autre sont connectés à la même alimentation. Les inducteurs 10a et 10c sont ainsi reliés à l'alimentation 15a et les inducteurs 10b et 10d sont reliés à l'alimentation 15b.
  • Bien entendu, l'ordre des polarités à respecter est celui qui assurera les glissements des champs magnétiques dans les sens souhaités. Ainsi, selon le montage exemplifié, les inducteurs produisent des champs magnétiques respectifs qui glissent horizontalement comme montré sur les figures 1c et 2c afin de réaliser un mouvement giratoire du métal au ménisque qui, vu du dessus, se développe dans le sens horaire comme montré sur la figure 3. On comprend que, si pour une raison quelconque, on souhaitait un mouvement anti-horaire au ménisque, il suffirait d'inverser les polarités des inducteurs.
  • L'unité d'alimentation est composée deux alimentations identiques distinctes 15a et 15b pourvue chacune de moyens pour différencier les intensités des forces d'entraînement par couple d'inducteurs. Chaque couple d'inducteurs disposés en diagonale ainsi appariés est relié à une et une seule alimentation: le couple 10a,10c étant alimenté par l'alimentation 15a et le couple 10b,10d par l'alimentation 15b. On rappelle qu'il s'agit d'alimentations polyphasées, de préférence bi-ou triphasées, afin que les inducteurs puissent produire un champ magnétique glissant. On optera de préférence, comme déjà dit, pour des alimentations à transistors à fréquence variable, de type VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) afin de pouvoir régler aisément l'intensité du courant électrique délivré aux inducteurs, donc l'intensité du champ magnétique, et sa fréquence, donc la vitesse de déplacement des champs glissants.
  • Si la circulation naturelle du bain métallique est en "simple boucle", on règle les alimentations afin que ce soit l'alimentation 15a qui, par le choix de l'intensité de courant (et également de sa fréquence, le cas échéant), fasse produire aux deux inducteurs en diagonale 10a et 10c qu'elle alimente, une force d'entraînement du métal plus forte que celle produite par les deux autres inducteurs en diagonale 10b et 10d, connectés à l'alimentation 15b. Et inversement, si la circulation naturelle du bain est en"double boucle". En cas d'un "écoulement instable", les deux alimentations 15a et 15b sont réglées pour faire produire aux quatre inducteurs pour leur faire délivrer la même intensité de courant.
  • Les deux variantes de réalisation de l'équipement selon l'invention se distinguent par le mode de pilotage de ces alimentations électriques.
  • Conformément à une première variante, représentée sur la figure 5, et basée sur une mesure directe de vitesses au ménisque, le pilotage des alimentations électriques 15a et 15b selon les critères ci-dessus s'opère à l'aide d'un régulateur 13. Sa fonction est de régler en permanence l'écart d'intensité des courants à appliquer entre la paire d'inducteurs qui doit créer la force la plus poussante et l'autre paire, selon les informations sur les vitesses au ménisque qu'il reçoit des moyens de mesure de vitesse de fluides.
  • Ces moyens de mesure sont constitués par deux sondes de mesure de vitesse 20 et 21. Ces sondes plongent faiblement dans le métal en fusion en des endroits distincts du ménisque, de part et d'autre de la busette 3, de préférence à égale distance d'elle, et à égale distance également d'une même grande paroi de la lingotière, ici la grande paroi 12. Il peut s'agir de sondes mécaniques dans lesquelles un couple de torsion se forme sous l'impulsion du courant métallique, qui dépend donc directement de la vitesse du métal en écoulement. Ces capteurs de vitesse transmettent leur information au régulateur 13 sous forme de signaux porteurs d'un signe indiquant le sens de la vitesse mesurée.
  • Le régulateur 13, qui reçoit ces signaux de vitesse, en fait la différence algébrique pour élaborer un signal de consigne proportionnel à la différence de vitesses et dont le signe renseigne sur celui, parmi les deux courants métalliques en contact des sondes 20 et 21 de part et d'autre de la busette, qui est le plus fort, et donc laquelle des deux paires d'inducteurs devra générer la force de poussée la moins élevée. Cette consigne permettra aux alimentations 15a, 15b de délivrer les intensités de courant adéquates aux inducteurs, intensités différenciées donc avec un écart entre elles qui se traduira par des forces de poussée différenciées dont l'action sur le métal conduira à faire tendre vers zéro le signal de consigne, garant de l'homogénéité recherchée du mouvement de rotation du métal au ménisque.
  • Si les signaux de vitesse des deux sondes deviennent fluctants autour de zéro, le mouvement du métal en fusion au ménisque est instable et l'écart des intensités de courant à appliquer entre les deux paires d'inducteur sera mis à zéro.
  • Bien entendu, une telle boucle de régulation des forces d'entraînement sur les vitesses au ménisque suppose une phase de démarrage.
    Au début de la coulée, les quatre forces d'entraînement seront égales en intensité. Pour fixer les idées, les forces de poussée "vers l'intérieur" (inducteurs 10a, 10c), comme les forces de poussée "vers l'extérieur" (inducteurs 10b, 10d) pourront être produites avec un courant par inducteur de 500 A par exemple.
  • Ensuite, le régulateur 13 procède à une première mesure des vitesses des courants métalliques par les sondes 20 et 21 placées au voisinage de la paroi 12 en regard des inducteurs 10b et 10a respectivement et élabore un signal représentatif de leur différence. On comprend que ce signal différentiel, en ampleur et en signe, dépendra du mode d'écoulement naturel du métal dans la lingotière. Au besoin, on se reportera aux figures 2a et 2b pour constater en effet que si le mode d'écoulement est en "simple boucle" (fig.2a) la sonde 20 mesurera une vitesse nettement supérieure à celle mesurée par la sonde 21, et inversement si l'écoulement est en "double boucle" (fig. 2b). Le signe de ce signal différentiel enseignera donc le régulateur 13 sur l'identité du mode d'écoulement, et son amplitude lui permettra d'élaborer le signal d'écart en intensité pour le pilotage des alimentations 15a, 15b. Ensuite, la régulation en boucle des forces peut s'installer et prendre le relais pour l'essentiel de la période de coulée, quelque soient les évolutions du mode d'écoulement naturel du bain en lingotière.
  • Dit de manière plus générale, la consigne d'intensité de courant (et de fréquence) est présélectionnée et appliquée aux quatre inducteurs au démarrage de la mise en rotation du métal, avant la phase de régulation proprement dite. Cette présélection se fera soit manuellement, soit automatiquement selon des valeurs enregistrées, par exemple dans un automate programmable, en fonction des nuances de métal coulées et/ou des objectifs de qualité recherchée. Un tel automate programmable (de type PLC par exemple) pourrait contenir le régulateur 13.
  • La deuxième variante de réalisation de l'équipement, représentée sur la figure 6, est basée, sur une approche prédictive des écoulements naturels du métal en fusion. Le pilotage des alimentations électriques 15a et 15b selon les critères énoncés auparavant s'opère à l'aide de moyens de contrôle 16. Ceux-ci sont avantageusement constitués par un automate programmable de type "PLC" connu et disponible dans le commerce (PLC = Programmable Logic Controller) et dont la fonction est de calculer et imposer des valeurs de consigne en intensité de courant (et au besoin en fréquence également) aux alimentations 15a et 15b séparément, Le PLC 16 est donc ici l'organe du système qui va déterminer laquelle des deux paires d'inducteurs doit créer la force la plus poussante, mais cette fois en réponse à l'identification prédictive du mode d'écoulement naturel du bain métallique dans la lingotière, et non plus en "régulation" pour annuler un signal d'écart venant d'une mesure directe de vitesses au ménisque.
  • Aussi, le PLC 16 reçoit-il les informations dont il a besoin pour cette tâche par les moyens 17 d'identification du mode découlement du bain métallique en lingotière.
  • A noter que ces moyens d'identification remplacent donc les capteurs de vitesse de la première variante de réalisation, car ceux-ci, comme on l'expliquera plus loin, ne sont guère aisés à mettre en oeuvre dans une lingotière de coulée continue.
  • Ces moyens d'identification 17 sont constitués par un ordinateur standard, de type PC (Personnal Computer) doté d'une mémoire vive qui contient les outils nécessaires à cette identification.
  • Il est utile de préciser à ce stade que l'on entend par "identification du mode d'écoulement" non seulement la prédiction qualitative qu'il s'agit d'un écoulement du type "simple" ou "double boucle" ou "instable", mais aussi la prédiction quantitative de la vitesse d'écoulement du métal au ménisque, étant entendu qu'une vitesse prédite à zéro est assimilée à un état instable.
  • En substance donc, ces outils seront constitués par un logiciel approprié, construit sur un modèle mathématique de la mécanique des fluides apte à prédire le mode d'écoulement du bain en lingotière à partir, d'une part, de deux paramètres de coulée fixés au départ que sont l'épaisseur de la lingotière et la géométrie de la busette et, d'autre part, de quatre grandeurs susceptibles de varier en cours de coulée que sont la largeur de la brame coulée, la vitesse de coulée, la profondeur d'immersion des ouïes de la busette et le débit d'argon injecté. Toutes ces données, le doublet fixe comme le quadruplet variable, sont de préférence introduites par saisie automatique depuis l'ordinateur général 19 de l'installation de coulée et pilotant les opérations de coulée. Pour une identification rapide du mode d'écoulement, les résultats produits par ce logiciel pourront se concrétiser sous forme d'abaques que le PLC pourra utiliser en lecture automatique ou après leur transcription sous forme analytique.
  • Il pourra s'agir encore d'une banque de données associant toutes les valeurs possibles de ces ensembles "doublets-quadruplets" de grandeurs avec le mode d'écoulement que chacun d'eux sous-tend. Au cours de la coulée, la comparaison régulière dans le temps d'un ensemble instantané "doublet-quadruplet" propre à la coulée avec ceux de cette banque permettra alors de retenir l'élément mémorisé qui correspondra le mieux aux données de la coulée et identifier ainsi, qualitativement et quantitativement, le mode d'écoulement naturel du métal en fusion au sein de la lingotière.
  • Au final, pour chaque mode d'écoulement ainsi calculé, les résultats donnés par le PC 17 seront, bien entendu, aptes à fournir une valeur chiffrée de la vitesse moyenne naturelle du métal au ménisque, valeur qui permettra au PLC de contrôle 16 de déterminer une valeur d'écart, par exemple 200 A (soit 600 A pour les deux plus actifs et 400 A pour les deux autres si le courant initiale au démarrage a été présélectionnée à 500 A) et d'instruire en ce sens les alimentations électriques 15a et 15b pour qu'elles délivrent les intensités de courant correspondantes aux couples d'inducteurs concernés.
  • En résumé, les moyens d'identification 17 fourniront donc aux moyens de contrôle 16 un signal dont l'amplitude est proportionnelle à la vitesse d'écoulement naturel du métal en fusion au ménisque et dont le signe (selon que la direction de cette vitesse va vers l'intérieur ou vers l'extérieur), renseigne sur l'identité du type d'écoulement en "simple boucle" ou "double boucle". Le contrôleur 16 détermine alors laquelle des deux paires d'inducteurs doit créer la force la plus poussante selon le type d'écoulement prévalent. Il calcule aussi l'écart d'intensité des courants d'alimentation entre les deux paires d'inducteurs concernés de manière que cet écart soit proportionnel à la vitesse moyenne du métal au ménisque et transmet les consignes correspondantes aux alimentations électriques 15a et 15b.
  • Si le PLC 16 reçoit du PC 17 un signal d'amplitude nulle, il annule l'écart d'intensité des courants d'alimentation (et fréquences) et donne la même consigne de courant d'alimentation (et de fréquence) aux quatre inducteurs, consigne correspondant à la valeur présélectionnée ou préenregistrée selon des nuances de métal coulé et/ou des objectifs de qualité recherchée.
  • On comprend bien que l'invention procure une homogénéisation "en ligne" de la mise en rotation axiale du métal au ménisque en cours de coulée. Grâce à la saisie automatique du quadruplet de paramètres variables qui conditionne le mode d'écoulement, on pourra à chaque instant, en réponse aux valeurs de ces quadruplets arrivant au PC 17 à mesure que la coulée se déroule, appliquer la différenciation adéquate aux forces de poussée des inducteurs qui assurera en permanence l'obtention d'un ménisque en rotation homogène, et ce quelque soient les modes d'écoulement qui pourraient se succéder au sein de la lingotière au cours de la coulée. Au contraire donc des systèmes antérieurs connus, adaptés à un mode d'écoulement et un seul, donc appropriés pour une séquence de coulée qui n'est qu'une fraction du temps de coulée total, l'invention assure une "couverture" active optimale de la coulée pour l'intégralité de sa durée, ou sa quasi-intégralité eu égard aux éventuelles séquences d'écoulement instable.
  • Le choix entre un système "régulateur" et un système "prédictif" est laissé à l'appréciation de l'utilisateur qui l'exercera en fonction de ses souhaits ou nécessités. On notera simplement ici que la variante de réalisation "prédictive" apparaît certes un peu plus exigeante en équipements logiciels, mais elle présente en revanche les avantages, souvent déterminants, de laisser le ménisque vierge de tout instrument plongeant et de ne pas avoir une durée de vie limitée à quelques heures au mieux des capteurs de vitesse.
  • Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples décrits ci-avant mais qu'elle s'étend à de multiples variantes et équivalents dans la mesure où est respectée sa définition donnée par les revendications jointes.
  • Ainsi, les inducteurs formant une paire reliée à une alimentation électrique donnée, 15a ou 15b, peuvent être connectés électriquement entre eux en parallèle comme montré sur les figures 5 et 6, ou en série.
  • De même, il est possible de prévoir autant d'alimentations électriques que d'inducteurs. Chacun d'entre eux pourra alors être alimenté en courant par sa propre alimentation dédiée, ce qui permettra notamment d'ajouter à la souplesse des réglages en permettant au besoin de créer un léger déséquilibre dans les intensités des forces produites par les inducteurs en diagonale.
  • En effet, s'il peut apparaître plus rationnel que les forces d'entraînement de deux inducteurs en diagonale soient égales, il ne s'agit pas là pour autant d'une disposition obligatoire de l'invention. Ces forces peuvent en effet être elles même différentes entre elles en intensité si on l'estime souhaitable pour faire en sorte que le critère premier de l'obtention d'une rotation homogène au ménisque soit satisfait, à savoir l'égalité des vitesses du métal en fusion devant chaque inducteur.
  • De même, le nombre d'inducteurs peut être supérieur à quatre, étant entendu dans ce cas que ce nombre doit rester pair afin de doter chaque grande face de la lingotière du même nombre d'inducteurs.
  • Par ailleurs, à la question qui pourrait se poser de savoir à quelle hauteur sur la lingotière doivent être montées les inducteurs, la réponse apportée est qu'en principe il n'y a pas d'obligation à les remonter vers le haut jusqu'au niveau du ménisque. Si les inducteurs sont conçus pour une puissance électrique suffisante, donc pour une force suffisante, une mise en place des inducteurs, même à plusieurs dizaines de cm en dessous du ménisque, permettra de conférer à ce dernier un mouvement de rotation bien stable et homogène.

Claims (3)

  1. Procédé pour une mise en rotation électromagnétique axiale oblongue du métal en fusion dans une lingotiére de coulée continue de brames pourvue d'une busette de coulée immergée centrée sur l'axe de coulée et présentant des ouïes de sortie latérales ouvertes en regard des petites faces d'extrémité de la lingotière, procédé dans lequel on a monté au moins quatre inducteurs polyphasés (10a, 10b, 10c, 10d) à champ magnétique glissant selon la largeur de la lingotière sur les grandes faces de la lingotière à raison de deux inducteurs disposés côte à côte par grande face, et l'on a réglé lesdits inducteurs pour créer un système à quatre forces d'entraînement dont les deux forces attachées à une paire quelconque d'inducteurs (10b, 10d) situés en diagonale par rapport à l'axe de coulée poussent le métal de la busette vers les petites faces, donc "vers l'extérieur", alors que les autres deux forces, attachées elles à l'autre paire d'inducteurs en diagonale (10a, 10c), poussent le métal des petites faces vers la busette, donc "vers l'intérieur", la mise en oeuvre conjointe de ces quatre forces conférant globalement au métal en fusion un mouvement de rotation axial oblong au ménisque, procédé caractérisé en ce que, dans le but d'homogénéiser ledit mouvement de rotation du métal en fusion au ménisque au cours de la coulée, le mode d'écoulement naturel du métal en fusion au sein de la lingotière ayant été préalablement identifié par la prise en compte de paramètres propres à la coulée, on différencie les forces d'entraînement entre elles de manière à intensifier davantage les forces qui poussent le métal "vers l'intérieur" si le mode d'écoulement naturel du bain de métal est du type "simple boucle", et inversement, de manière à intensifier davantage les forces qui poussent le métal "vers l'extérieur", si le mode d'écoulement naturel du bain de métal est du type "double boucle".
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on égalise les intensités des deux forces d'entraînement attachées aux deux inducteurs de la même paire situés en diagonal.
  3. Equipement électromagnétique pour l'exécution du procédé selon la revendication 1 de mise en rotation axiale oblongue du métal en fusion dans la partie supérieure d'une lingotière (1) de coulée continue de brames pourvue d'une busette de coulée immergée (3) centrée sur l'axe de coulée (A) et présentant des ouïes (2) de sortie latérales ouvertes en regard des petites faces d'extrémité de la lingotière, équipement comprenant
    - au moins quatre inducteurs polyphasés distincts (10a, 10b, 10c, 10d) à champ magnétique glissant montés sur les grandes faces (12, 12') de la lingotière à raison de deux inducteurs par grande face, les inducteurs (10a, 10b) disposés côte à côte sur une même grande face (12) de la lingotière produisant des forces d'entraînement qui poussent le métal en fusion selon la largeur de la lingotière dans le même sens entre elles et dans un sens opposé de celui des forces d'entraînement produites par les deux inducteurs (10c, 10d) en vis-à-vis sur l'autre grande face (12'),
    - une unité (15a, 15b) d'alimentation polyphasée des inducteurs en courant électrique dotée de moyens pour différencier les forces d'entraînement de chaque inducteur sur le métal en fusion coulé en lingotière;
    et caractérisé en ce qu'il comprend:
    - des moyens (17) pour identifier le mode d'écoulement naturel du bain de métal en fusion au sein de la lingotière en "simple boucle"ou en "double boucle";
    - et des moyens (16) de contrôle de ladite unité d'alimentation électrique aptes, en réponse auxdits moyens d'identification (17), à intervenir sur lesdits moyens de différenciation des forces d'entraînement de manière à intensifier davantage les forces qui poussent le métal "vers l'intérieur" si le mode d'écoulement naturel du bain de métal est du type "simple boucle", et inversement d'intensifier davantage les forces qui poussent le métal "vers l'extérieur" si le mode d'écoulement naturel du bain de métal est du type "double boucle".
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