FR2480154A1 - Procede et appareil de coulee electromagnetique de bandes minces - Google Patents

Abstract

ON COULE UN METAL, UN ALLIAGE OU UN NON-METAL TEL QUE LE SILICIUM EN UNE BANDE C DE MOINS DE 1MM A QUELQUES MM D'EPAISSEUR DANS UNE LINGOTIERE DE COULEE CONTINUE ELECTROMAGNETIQUE 10. L'INDUCTEUR 11 DE LA LINGOTIERE PRESENTE UNE PREMIERE PARTIE 33 DE FACONNAGE ET DE SOLIDIFICATION DE LA BANDE ET UNE DEUXIEME PARTIE 34, SURMONTANT LA PREMIERE ET COMMUNIQUANT AVEC ELLE, QUI S'EVASE VERS LE HAUT ET DANS LAQUELLE EST CONTENU, EGALEMENT PAR VOIE ELECTROMAGNETIQUE, UN BAIN DE MATIERE FONDUE 24.

Description

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La présente invention concerne un procédé et un appareil perfectionnés pour couler par voie électromagnétique des matières et notamment des métaux, des alliages et des non-métaux tels que le silicium. Le procédé et l'appareil selon l'invention sont applicables à la coulée de minces bandes poly- ou monocristal- lines. La coulée électromagnétique est connue et utilisée depuis de nombreuses années pour couler des métaux ou des alliages en continu ou semi-continu. Elle a été utilisée industriellement pour couler l'aluminium et ses alliages. Dans ses applications connues,

elle fournit des produits coulés relativement épais.

Un appareil de coulée électromagnétique est formé essentiellement d'une lingotière à trois éléments: un inducteur refroidi par eau, un écran amagnétique et tu distributeur pour appliquer de l'eau de refroidissement au produit coulé ou refroidisseur. Un tel appareil est décrit, par'exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 467 166. Le métal fondu est confiné ou maintenu sans qu'il vienne directement en contact avec une partie quelconque de la lingotière. La solidification du métal résulte de l'application directe d'eau du refroidisseur à la croate en cours de solidification

du produit coulé.

On peut trouver une description assez complète

de l'art de la coulée électromagnétique dans le brevet des Etats-

Unis d'Amérique 4 161 206. L'objet proprement dit de ce brevet est

un dispositif de commande pour le processus électromagnétique.

Les brevets des Etats-Unis d'Amérique n' 3 985 179 et 4 004 631 décrivent l'utilisation d'inducteurs façonnés dans la

coulée électromagnétique.

Dans la coulée électromagnétique, le bain de métal fondu au-dessus de la zone de solidification est normalement maintenu à la même section droite que le produit coulé solidifié que l'on désire obtenir. Pour couler de minces bandes, on aurait donc un bain de métal mince et de faible volume. Or, de petites variations dans la température du métal fondu ajouté à un tel bain et de petites

différences dans la vitesse de refroidissement dans la coulée con-

duiraiettoutes à de grandes variations de température du bain de

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petit volume, pouvant entraîner le figeage prématuré du métal et

l'avortement de la coulée.

Le remplacement de la coulée continue convention-

nelle avec une lingotière à refroidissement direct par la coulée électromagnétique pose cependant d'autres problèmes encore. Dans la coulée électromagnétique, il faut régler avec précision le débit

de métal s'écoulant vers le bas dans la zone de confinement, c'est-

à-dire dans le bain de métal, parce que la hauteur du bain influe sur la pression hydrostatique que le bain exerce dans la zone de confinement, donc aussi sur la force nécessaire au confinement du

métal dans l'espace voulu.

L'adaptation de la coulée électromagnétique à la production de bandes minces présente des difficultés supplémentaires,

surtout si l'épaisseur des bandes est inférieure à 6 mu par exemple.

Le problème devient plus ardu encore en dessous de 2,5 mm, par exemple avec les épaisseurs de l'ordre de 0,6 mm qui sont demandées pour couler des matières telles que le silicium pour des applications dans le domaine des semi-conducteurs. Dans ce dernier cas, il est extrêmement difficile de maintenir la bande coulée à la forme requise par le procédé électromagnétique, en particulier sur les bords de la bande. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 463 365 et le brevet bitanr.ique 1 481 301 sont des exemples de l'art concernant l'emploi de champE électromagnétiques pour régler l'écoulement de

métal d'un panier de coulée ou d'un creuset dans une lingotière.

Dans le brevet britannique, un champ électromagnétique est utilisé non seulement pour régler l'écoulement de métal du creuset mais aussi pour empêcher le métal de venir en contact avec le réfractaire

d'une partie du creuset, afin de réduire ainsi l'érosion du réfrac-

taire. Dans ce brevet britannique, le creuset possède un diamètre relativement grand comparativement à l'ouverture ou busette à travers

laquelle le métal liquide sort du creuset et entre dans la lingotière.

Le brevet britannique 1 499 809 décrit un système

de coulée de barres utilisant un creuset et un dispositif électro-

magnétique de réglage d'écoulement semblable à celui décrit dans le brevet britannique cité plus haut. Cependant, dans ce cas, la bobine

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électromagnétique qui règle le débit de métal sert aussi à donner la forme-de barre désirée au métal, lequel est ensuite refroidi à l'eau en vue de sa solidification puis laminé en un produit final

désiré en forme de barre ou de fil.

Les dispositifs décrits dans les brevets britan- niques, du fait qu'ils sont hybrides, puisqu'ils utilisent à la fois un creuset et des forces électromagnétiques pour le confinement, ont notamment l'inconvénient que le bain de métal fondu supporté par le creuset est susceptible d'être contaminé par le creuset par

l'introduction de fragments de réfractaires dans le métal liquide.

De plus, dans le dispositif selon le brevet britannique 1 499 809, de l'eau du poste de refroidissement, par éclaboussure, pourrait être projetée vers le haut entre le métal liquide et le creuset dans l'étranglement de sortie, ce qui crée de sérieux risques d'explosion de l'appareil. Pour éviter ces problèmes, l'invention prévoit un système dans lequel un grand bain de matière fondue est supporté, uniquement par des forces de confinement électromagnétiques,

au-dessus de la section étroite de formation de bande de la lingo-

tière électromagnétique o s'effectue la solidification.

Ce système n'est pas à confondre avec les appareils ordinaires de fusion en lit fluidisé, comme ceux décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 2 686 864 et 3 476 170. Ces appareils utilisent un inducteur pour la mise en lit fiuidisé d'une matière en fusion et même, dans le brevet cité en dernier, pour produire des soutirages dosés de la matière en fusion. Cependant, aucun de ces appareils n'utilise un système électromagnétique de confinement o le bain de métal fondu d'o est forméela mince bande

coulée possède une épaisseur supérieure à cette bande.

L'invention apporte un appareil et un procédé pour la coulée, par voie électromagnétique, d'une mince bande, pouvant être faite d'une grande variété de matières fondues et notamment de métaux, d'alliages et de différentes matières, telles que le

silicium, convenant à la fabrication de composants électroniques.

Selon l'invention, un dispositif électromagnétique de formation et de confinement comporte une zone de solidification pour façonner la matière à l'état fondu en une mince bande ayant la section désirée,

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ainsi qu'une deuxième zone plus large pour supporter un bain de matière fondue. Ce bain élargi par rapport à la section de la bande à couler réduit les variations de température de la matière fondue délivrée à la zone de solidification et réduit également les variations dans la pression hydrostatique exercée par le bain dans la zone de solidification. Le confinement de la matière fondue, à la fois dans le bain d'alimentation elargi et dans la zone de solidification.-est assuré exclusivement par l'action de forces électromagnétiques sur la matière. Ce résultat est obtenu, selon un mode de réalisation préféré, par la conformation d'un inducteur électromagnétique, de manière que, dans une première partie, il possède une section qui correspond a la section de la mince bande que l'on désire couler, tandis que, dans une deuxième partie, il possède une section élargie résultant d'un évasement à partir de la première partie. De préférence, l'extrémité ouverte définie par la surface supérieure de l'inducteur possède une aire de section au moins cinq fois plus grande que celle

de l'ouverture de l'inducteur dans la zone de solidification. Facul-

tativement, l'appareil peut comporter un écran amagnétique pour limiter la courbure de la matière fondue à la-surface supérieure du

bain.

Le procédé et l'appareil selon l'invention permet-

tent de couler-des bandes ultraminces, d'une épaisseur inférieure à 6 mm environ et de préférence d'une épaisseur inférieure à 2,5 mm environ. Un dispositif est prévu pour alimenter l'inducteur avec un courant alternatif dont la fréquence est choisie de telle manière que la profondeur de pénétration du courant dans le métal fondu à la

zone de coulée est inférieure à environ 1/4 et de préférence à envi-

ron 1/6 de l'épaisseur de la bande coulée. De cette manière, il devrait être possible de couler des bandes extrêmement minces de matières telles que le silicium ou d'autres matières désirées, tout en conservant la mattrise sur la forme du produit coulé et sans

contamination (introduction d'impuretés) de la matière coulée.

Selon un autre mode de réalisation, l'inducteur de section non constante pour le confinement est utilisé aussi pour

chauffer et fondre la matière à couler.

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L'invention fournit donc un appareil et un procédé perfectionnés pour la coulée électromagnétique de minces bandes de métaux> alliages, non-métaux tels que le silicium et d'autres matières encore, qui réduisent la contamination de la matière fondue pendant sa coulée et qui permettent excellemment de maintenir la forme de la

bande ultramince coulée sur toute sa section à la forme souhaitée.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion ressortiront plus clairement de la description qui va suivre

de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un appareil de coulée selon un exemple de réalisation de l'invention; la figure 2 est une représentation schématique d'un appareil de coulée selon un autre exemple de réalisation de l'invention; et - la figure 3 est une représentation schématique partielle d'une variante de réalisation d'un mécanisme extracteur

de produit coulé, également selon l'invention.

La figure 1 représente, à titre d'exemple, un appareil de coulée électromagnétique selon l'invention. Il comporte une lingotière de coulée électromagnétique 10 qui se compose-d'un inducteur ll refroidi par eau, d'un refroidisseur 12 pour appliquer de l'eau à la surface 13 du produit coulé C, tout autour de celui-ci, et d'un écran amagnétique 14. Dans cet exemple, la matière fondue, un métal par exemple, est introduite en continu dans la lingotière, au cours d'une coulée, d'une manière normale, avec utilisation d'une auge 15, d'un tube de coulée 16 et d'un dispositif de régulation 17 pour le chargement en métal liquide du bain dans la lingotière. Le

dispositif de régulation 17 peut être formé d'une quenouille ordi-

naire 18 qui peut être ajustée manuellement ou> de préférence, auto-

matiquement. Dans le mode de réalisation préféré, la quenouille 18 peut être déplacée dans le sens de l'axe du produit coulé C et du tube de coulée 16 par un système à crémaillère 19 et pignon 20 actionné par un moteur pas à pas de chargement 21> lui-même commandé

à partir du bloc d'alimentation 22 et du dispositif de commande 23.

L'écoulement de métal fondu à travers le tube de coulée 16 est réglé

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en conformité avec de lentes augmentations ou diminutions de l'in-

ductance de l'inducteur 11.

L'inducteur 11 est alimenté en courant alternatif

à partir du bloc d'alimentation 22 et du dispositif de commande 23.

Ceux-ci peuvent être de toute conception désirée mais il est préfé-

rable qu'ils soient réalisés comme décrit dans le brevet des Etats-

Unis d'Amérique 4 161 206. Selon ce document, l'intensité du courant dans l'inducteur Il est réglée de telle manière que l'inductance de l'inducteur 11 reste sensiblement constante. Un intervalle d'air uniforme est ainsi maintenu entre le métal fondu et les parois

voisines de l'inducteur Il pendant la coulée.

Le courant alternatif circulant dans l'inducteur 11 produit un champ magnétique qui, par interaction avec la masse ou

tête de métal fondu 24, produit des courants de Foucault dans celle-

ci. Ces courants de Foucault, à leur tour, par interaction avec le champ magnétique, produisent des forces qui exercent une pression magnétique sur la tête de métal fondu 24 de manière à la maintenir dans un espace limité et à produire la solidification du métal sous - forme d'un produit coulé ayant la section désirée. La tête de métal 24 reste séparée de l'inducteur 11 par un intervalle d'air 25 pendant la coulée. Dans la zone de solidification 26, le métal liquide de la tête 24 est façonné ou moulé dans la même -forme générale que

l'inducteur 11, de sorte qu'il prend la section que l'on désire don-

ner au produit coulé. L'inducteur 11 possède de préférence une forme

rectangulaire qui entoure le métal fondu.

L'écran amagnétique 14 a pour but de permettre l'ajustement fin de la pression magnétique et son équilibrage avec la pression hydrostatique de la tête de métal 24 près de la surface supérieure 27 de la tête. L'écran 14 peut être formé d'un élément séparé, comme représenté, mais il peut également être intégré en d'autres éléments de l'appareil, dans l'inducteur par exemple, comme

décrit dans certains des brevets cités plus haut.

Au commencement de la coulée, un bloc de fond 29 ou faux fond est tenu de façon connue par une barre 28 dans la zone de solidification 26 de la lingotière 10 pour que le premier métal liquide puisse être déversé dans la lingotière et y former le début

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du produit coulé. La barre 28 et le bloc de fond 29 sont ensuite abaissés uniformément à la vitesse de coulée désirée par un mécanisme

extracteur 30 qui peut être de conception conventionnelle.

La solidification du métal confiné magnétiquement dans la lingotière 10 est produite par l'application directe d'eau du refroidisseur 12 à la surface 13 en cours de solidification du produit coulé C. Dans l'exemple de figure 1, l'eau est appliquée à la surface 13 du produit coulé juste au-dessous de l'inducteur, à très faible distance de celui-ci. Il est possible aussi, si désiré, d'appliquer l'eau à la surface 13 du produit coulé à l'intérieur même de l'inducteur par la prévision de fentes ou d'orifices appropriés

pour l'éjection d'eau de refroidissement dans l'inducteur 11.

L'appareil de figure 1 se distingue surtout des appareils de coulée électromagnétique connus par le fait que le bain de métal 24 possède une section non-uniforme. Dans une première

partie 26 de la zone de confinement, o s'effectue la solidifica-

tion, le métal liquide est forcé à prendre la forme de section désirée pour la mince à bande à produire. Dans une deuxième partie 31 de la zone de confinement, située en amont de la première partie, le bain

de métal 24 s'évase vers le haut, de manière que sa surface supé-

rieure 27 possède une aire de section qui est de préférence au moins cinq fois plus grande et, mieux encore, au moins sept fois plus grande que l'aire de section de la bande coulée C. La deuxième partie de la zone de confinement crée un bain de métal qui est nettement plus large que la bande coulée C. Le volume du bain 24 est assez grand pour assurer que les différences de température au sein du bain soient réduites au minimum et pour

assurer en plus que la hauteur du bain de métal, déterminant la pres-

sion hydrostatique du métal liquide dans la zone de solidification 26,

reste sensiblement constante. La bande C obtenue est ainsi plus uni-

forme en section et en épaisseur.

Dans l'exécution préférée représentée figure 1, la zone de confinement électromagnétique possédant les deux parties

décrites ci-dessus est crée par un inducteur Il de forme particulière.

Sa surface 32 dirigée vers le métal liquide est divisée en deux parties correspondantes 33 et 34. La première partie 33 possède une forme générale qui correspond à la forme désirée de la mince

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bande C à couler. La deuxième partie 34 s'évase vers le haut à partir de la première partie pour former au sommet 35 de l'inducteur une

ouverture, délimitant la zone de confinement, qui possède une pre-

mière aire de section nettement plus grande que la deuxième aire de section, qui est celle de l'ouverture définissant la zone de confine-

ment de la première partie. La première aire de section est de pré-

férence plus de cinq fois plus grande que la deuxième aire de section

et de préférence au moins sept fois plus grande.

Il est aisément compréhensible que le courant dans l'inducteur se concentre dans la première partie 33 parce que celle-ci représente le trajet de courant le plus court. Cependant, au niveau de puissance approprié, l'intensité du courant dans la deuxième

partie 34 doit être suffisante pour supporter le bain de métal 24.

Cette particularité de l'inducteur 11 représenté est hautement dési-

rable parce que les forces hydrostatiques produites par le métal liquide sont les plus élevées dans la première partie 33, étant donné

que cette partie est couverte par la plus grande épaisseur de métal.

Le fait que la densité du courant ou le courant par unité de surface dans la zone 33 est la plus élevée convient donc excellemment. A mesure que l'on monte le long de la partie évasée 34 de l'inducteur 11, la densité du courant diminue graduellement avec l'allongement du

trajet du courant. Ceci est également souhaitable parce que l'épais-

sseur de métal supportée aux points qui se suivent vers l'extérieur

le long de la partie évasée 34 diminue de façon correspondante.

L'angle d'inclinaison de la surface 34 est de préférence choisi de telle manière que, compte tenu de-la matière coulée, il y a à peu près équilibre entre l'amplitude du courant dans l'inducteur et la pression hydrostatique exercée par la matière fondu en chaque point de la partie 34 de la zone de confinement. Par exemple, l'épaisseur de la couche de métal fondu et, partant, la pression hydrostatique exercée par elle en chaque point de la partie 34 de l'inducteur 11 peuvent être augmentées globalement en donnant à la surface 34 une

inclinaison plus proche de la verticale et inversement.

L'exemple représenté utilise un écran amagnétique 14 pour intercepter une partie du champ de l'inducteur Il près de la surface supérieure 27 du bain afin d'éviter que les angles en haut du bain de métal 24 ne s'arrondissent excessivement. Cependant, dans

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la pratique, grâce à la forme particulière de l'inducteur 11, l'écran 14 pourra vraisemblablement être éliminé, de sorte qu'il n'est pas considéré comme un élément essentiel de l'appareil. Il en est ainsi parce que la densité du courant est la plus faible au sommet 35 de l'inducteur 11, du fait que le trajet du courant

y est le plus long.

Le procédé et l'appareil décrits relativement à la figure 1 conviennent particulièrement à la coulée de minces bandes de métaux et d'alliages. Le fluide de refroidissement débité par le refroidisseur 12 serait alors de l'eau ou un autre fluide approprié, comme désiré. L'appareil de coulée représenté figure 1 permet de couler des bandes jusqu'à une épaisseur d'environ 19 mm et est utilisé de préférence pour couler des bandes jusqu'à une épaisseur d'environ 13 mm. De telles bandes minces C se prêtent particulièrement à la production par laminage à froid de bandes de toute épaisseur désirée, avec une épaisseur minimale pouvant aller jusqu'à 0,1 mm ou moins encore. L'un des avantages de la coulée de métaux ou d'alliages sous forme de bandes est que le laminage à chaud de dégrossissage qui est normalement utilisé pour réduire

les lingots épais de plusieurs centimètres au moins a des semi-

produits qui se laissent laminer à froid peut être éliminé.

Comme déjà mentionné, un appareil selon l'inven-

tion peut être appliqué aussi à la coulée de bandes ultraminces, notamment de bandes métalliques, en alliages et en non-métaux, y compris les matériaux semi-conducteurs tels que le silicium, le

germanium et ainsi de suite. La figure 2 montre un appareil parti-

culièrement préféré pour la coulée de bandes ultraminces C', pou-

vant être de nature monocristalline. Dans cet exemple, toute la lingotière 10' est supportée dans une chambre 36 dans laquelle est créée une atmosphère de gaz neutre, d'argon par exemple, en vue du maintien de la pureté de la matière coulée. A la place d'une

auge 15 et d'un tube de coulée 16 comme sur la figure 1 pour trans-

porter la matière fondue depuis un point de fusion situé à distance,

l'appareil de cet exemple est équipé pour l'introduction du sili-

cium M ou d'une autre matière sous forme d'une barre solide. La disposition de l'inducteur 11' et de l'écran 14 est semblable à la

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disposition de ces éléments dans l'exemple précédent. Cependant,

bien que l'inducteur Il' possède la même forme générale que l'in-

ducteur 11 de la figure 1, il présente une structure notablement différente. L'inducteur il' est en effet divisé en deux sections 37 et 38. La section supérieure 37 présente la surface 34 et la section inférieure 38 présente la surface 33. Les deux sections 37 et 38 sont

séparées par un joint d'isolation électrique 39 et elles sont as-

semblées de façon étanche à l'eau par des vis isolantes (non repré-

sentées). Le but de l'isolation de la section supérieure 37 par rap-

port à la section inférieure 38 est de permettre l'alimentation indépendante des deux sections pour pouvoir ajuster selon les besoins les intensités de courant électrique dans les surfaces 33 et 34 de

l'inducteur Il'. Cette séparation permet de mieux maîtriser la for-

mation de la bande dans la partie 26 de l'inducteur et le maintien

du bain de matière dans la partie 31.

L'alimentation séparée des deux sections de l'in-

ducteur Il' demande deux blocs d'alimentation 40 et 41 et deux dis-

positifs de commande 42 et 43. Le courant circulant dans la section supérieure 37 de l'inducteur 1l' peut ainsi différer totalement du courant circulant dans la section inférieure 38, ce qui produit des intensités de champ correspondantes dans les deux sections. Il est ainsi possible de mieux équilibrer, suivant la matière coulée, la

force magnétique développée par l'inducteur et les pressions hydro-

statiques exercées par la matière coulée.

Un appareil comme celui de figure 2 est prévu de préférence pour la coulée de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium sous forme d'un monocristal. Le silicium doit dans ce cas avoir une très grande pureté et la conserver dans le produit coulé, ce qui explique pourquoi la coulée s'effectue sous atmosphère neutre, comme indiqué plus haut. Il est souhaitable en outre que la matière coulée ne vienne en contact avec aucune autre matière, d'un

creuset par exemple, pour éviter l'introduction d'impuretés.

L'inducteur 1l' de la figure 2 est par ailleurs

conformé et fonctionne sensiblement de la même manière que l'induc-

teur 11 de la figure 1. Les surfaces dirigées'vers la matière à couler, désignées ici également par 33 et 34, définissent de nouveau

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une zone de solidification 26 et une zone 31 o est formé le bain de matière liquide. Les blocs d'alimentation 40 et 41 et les dispositifs de commande 42 et 43 fonctionnent de la même manière que le bloc

d'alimentation 22 et le dispositif de commande 23 de l'exemple pré-

cèdent, sauf que les intensités du courant dans la section supérieure 37 et la section inférieure 38 de l'inducteur 11' peuvent être variées

individuellement, comme décrit plus haut. Comme dans l'exemple pré-

cédent, l'écran 14 est un élément facultatif puisque son emploi peut

être évité, suivant le champ magnétique produit par l'inducteur l1'.

Bien que l'appareil de figure 2 convienne particulièrement à la pro-

duction de bandes ultraminces de morphologie monocristalline, il

peut être utilisé pour couler d'autres produits sous d'autres épais-

seurs, comme l'appareil de l'exemple précédent.

Dans l'appareil de la figure 2, le bain 24 est réalimenté par fusion de l'extrémité d'une barre solide M de la matière à couler. Pour produire cette fusion, il est proposé, selon un aspect préféré de l'invention, que l'inducteur ll' soit alimenté électriquement de manière qu'il puisse non seulement contenir et supporter le bain de matière liquide 24 mais aussi chauffer la matière de ce bain à la température nécessaire pour fondre la barre M

solide de réalimentation à mesure qu'elle est avancée dans le bain 24.

Ce réultat est obtenu par l'équilibrage de la pression exercée par

et l'apport de chaleur fourni par la section supérieure 37 de l'in-

ducteur 1l'. Pour produire la fusion, la fréquence du courant appliqué est augmentée, afin d'accroître ainsi l'effet de chauffage du champ

produit et la résistance effective du bain, Il va de soi que la pos-

sibilité d'utiliser l'inducteur ll' à la fois à des fins de chauf-

fage et de confinement dépend dans une large mesure de la résistivité de la matière à couler. Dans le cas des matériaux semi-conducteurs tels que le silicium ou le germanium, la résistivité élevée de ces matériaux améliore l'effet de chauffage de l'inducteur. Si les matières à couler ont une résistivité relativement basse, il peut s'avérer impossible d'utiliser l'inducteur à la fois pour le confinement et le chauffage. Cependant, de manière général, un appareil de coulée comme celui de figure 2 sera habituellement utilisé pour produire des

bandes ultraminces de matériaux à haute résistivité comme ceux uti-

lisés dans les dispositifs semi-conducteurs et électroniques.

Comme dans l'exemple précédent, le débit de la

matière introduite dans le bain est réglé par le dispositif de com-

mande 42 de l'inducteur 11', produisant dans ce cas l'abaissement de la barre de silicium M dans le bain 24, de manière que la surface supérieure 27 de ce bain reste sensiblement à un niveau constant afin de réduire les changements de la pression hydrostatique exercée

par la matière fondue dans la zone de solidification 26. L'abais-

sement de la barre M dans le bain peut être produit au moyen de

rouleaux d'alimentation 44 entraînés par un moteur 45 qui est ali-

menté depuis le dispositif de commande 42. Comme dans le précédent exemple, le dispositif de commande assure la réalimentation du bain 24 avec maintien, de préférence, de l'inductance de l'inducteur 11' à une valeur constante. Si le niveau de la surface supérieure 27 du

bain monte ou baisse, la pression hydrostatique exercée par la ma-

tière fondue du bain change. De ce fait, l'intervalle d'air 25 entre le bain et les parois intérieures de l'inducteur sera élargi ou aminci. Dans un cas comme dans l'autre, l'inductance de l'inducteur sera modifiée en conséquence. Selon le brevet des Etats-Unis d'Amé-

rique 4 161 206 déjà cité dans le rappel de la technique antérieure

au début du présent mémoire, l'inductance peut être maintenue cons-

tante par la variation de l'énergie appliquée à l'inducteur et l'in-

ductance peut en outre être maintenue dans des limites désirées par une régulation appropriée de l'alimentation du bain. Pour la mise en oeuvre de l'invention, il est préférable d'utiliser ces deux modes d'action pour régler le système de coulée et produire ainsi une mince

bande C ou C' de section uniforme.

La matière fondue et l'énergie appliquée par

l'inducteur 1h' ont une action suffisante pour faire fondre lente-

ment la barre de silicium M et réalimenter ainsi le bain pour com-

penser la quantité de matière extraite sous forme d'une bande ultra-

mince C' de la zone de coulée 26. Bien qu'il soit préférable, dans ce mode de mise en oeuvre, que l'inducteur fournisse à la fois l'énergie pour supporter le bain de matière fondue 24 et pour fondre

la barre d'alimentation M, il est possible, dans le cadre de l'in-

vention, de fondre la matière d'alimentation en un point éloigné,

comme décrit relativement à la figure 1. Il ne sera donc pas néces-

saire dans ce cas que l'inducteur Il ou 1h' ait la double fonction

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de confinement et de chauffage pour fondre la matière d'alimentation.

Dans la coulée de silicium ou d'autres-matières sous forme de monocristaux, il faut que la vitesse de coulée ou vitesse d'abaissement de la barre 28 soit très lente, conformément aux techniques connues pour le tirage de monocristaux. La vitesse d'abaissement de la barre solide de silicium M à faire fondre serait donc également lente. De plus, afin d'éviter la contamination et compte tenu des vitesses d'extraction lentes, au lieu de refroidir la bande de silicium C' par l'application d'eau, il est préférable que le refroidisseur 12' produise le refroidissement de la bande par un gaz neutre. La morphologique monocristalline est obtenue à partir d'un germe monocristallin 46 supporté par le bloc de fond ou

faux fond 29 de l'appareil de coulée.

Il est important, dans la coulée de bandes ultra-

minces C', que le bloc d'alimentation fournisse à l'inducteur ll' un courant électrique dont la fréquence est fixée de telle manière que la profondeur de pénétration du courant induit dans la matière fondue soit inférieure à environ 1/4 de l'épaisseur t de la bande coulée et, de préférence, inférieure à 1/6 de cette épaisseur. La profondeur de pénétration est définie par la formule suivante Dans cette formule, la profondeur de pénétrations correspond à la profondeur de pénétration dans la matière en question o l'intensité du courant est réduite d'environ 67% par rapport à

l'intensité à la surface extérieure 13. Par ailleurs, ?= la résisti-

vité de la matière coulée, puo = la perméabilité de la matière coulée,

f = la fréquence du courant appliqué etqr = 3,14.

Il découle de la formule ci-dessus que l'augmenta-

tion de la fréquence du courant appliqué entraîne une diminution de la profondeur de pénétration. Dans la coulée ordinaire par voie

électromagnétique, il est habituel d'utiliser une profondeur de péné-

tration de 5 mm. Le brevet des Etats'Unis d'Amérique 4 161 206 cité plusieurs fois déjà démontre amplement l'influence de la résistivité

sur la profondeur de pénétration. Dans la mise en oeuvre de l'inven-

tion, afin de maintenir une bonne maîtrise sur la forme du produit

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coulé, c'est-à-dire afin de pouvoir couler un produit de forme et de section uniformes sur toute la longueur du produit, la profondeur de pénétration doit être ajustée très exactement par la variation de la fréquence du courant appliqué. De préférence, la profondeur de pénétration est inférieure à environ 1/4 de l'épaisseur de. la bande coulée et, mieux encore, inférieure à environ 1/6 de cette épaisseur. Ces limites préférées doivent assurer qu'il n'y ait pas ou très peu d'interaction entre le champ appliqué à un côté de la

bande C' et le champ appliqué à l'autre côté de la bande. La deman-

deresse considère actuellement que le fait d'éviter de telles inter-

actions diminue les difficultés d'obtention d'une bande C d'épaisseur et de section uniformes. Elle considère en outre que, si'ces limites ne sont pas respectées,- la bande C ou C' obtenue pourrait avoir une

section ovale, ce qui est bien entendu indésirable.

Si l'on désire effectuer une coulée sans formation d'une structure monocristalline, on retire le germe cristallin et on place le bloc de fond directement dans le champ de confinement

au commencement de la coulée, comme décrit relativement à la figure 1.

Pour la coulée de structures monocristallines, le germe cristallin est placé avant le début de la coulée dans le champ de confinement; le germe est ensuite extrait, c'est-à-dire abaissé lentement, à une vitesse compatible avec l'obtention de la morphologie monocristalline désirée. Si une structure non monocristalline est acceptable, il est

possible d'utiliser un refroidissement par eau à la place du refroi-

dissement par gaz, si cela est désiré. Pour la coulée d'une structure

monocristalline, le refroidissement par gaz est préférable.

La figure 3 représente une variante de réalisation d'un mécanisme extracteur 30'. Les mécanismes extracteurs 30 utilisés dans les exemples des figures 1 et 2 sont plus que suffisants pour la coulée continue ou semi-continue d'une mince bande de longueur raisonnable, dépendant bien entendu de la course possible de la barre 28 et du bloc de fond 29. Un mécanisme extracteur 30' comme celui des figures 3 peut être utilisé pour la coulée de bandes minces plus longues. Ce mécanisme comprend une fausse bande 51 de faible épaisseur qui, pour commencer une coulée, est enfilée entre des rouleaux extracteurs 50, jusqu'à ce que son extrémité se trouve dans

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la zone de solidification 26, comme le bloc de fond ou le germe des exemples précédents. La fausse bande 51 et la bande C coulée à la

suite d'elle sont ensuite extraites de la zone 26 par les rouleaux 50.

A la suite des rouleaux extracteurs 50, la fausse bande 51 et la bande coulée sont enroulées sur un tambour 52. Il-est ainsi possible de

couler des bandes C de très grandes longueurs.

Bien qu'il ait été question jusqu'ici de métaux et d'alliages en général, l'invention est applicable en particulier à la coulée électromagnétique de cuivre et de cupro-alliages, d'acier et d'alliages d'acier, d'aluminium et d'alliages d'aluminium et de nickel et d'alliages de nickel, sans exclure toutefois d'autres métaux et alliages. Dans le même ordre, bien qu'il ait été question jusqu'ici de la coulée de non-métaux tels que le silicium ou le germanium, l'invention est applicable à une large gamme de corps de cette nature ou de nature analogue utilisés dans le domaine des

semi-conducteurs et notamment au saphir et aux matériaux semi-

conducteurs composites, tels que l'arséniure de gallium. Les corps nomnésne sont que des exemples et d'autres non-métaux ou matériaux analogues utilisés ou non dans les composants électroniques sont

nullement exclus.

L'invention n'est pas limitée aux formes de réali-

sation décrites et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modi-

fications, sans pour autant sortir de son cadre.

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Claims (17)

R E V E N D I C A T I O N S

1. Procédé pour couler une matière fusible, métallique ou autre, en une mince bande de forme et d'épaisseur déterminées, caractérisé en ce qu'il consiste à façonner la matière en une bande mince à l'état fondu par un champ électromagnétique dans une première zone (26), o s'effectue la solidification au moins partielle de la matière en bande mince (C, C'), et à contenir la matière fondue par la seule action d'un champ électromagnétique sous une forme déterminée épaissie par rapport à la bande dans une seconde zone (31) ou zone de confinement, d'o la matière pénètre dans la première zone ou zone

de solidification (26), la matière dans la zone de confinement for-

mant un bain (24) situé en amont de la zone de solidification, com-

muniquant avec elle et ayant à sa surface supérieure (27) une section

nettement plus grande que la section de la mince bande coulée (C, C').

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section à la surface supérieure (27) du bain est au moins

cinq fois plus grande que la section de la bande (C, C').

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé

en ce que l'on produit le façonnage en bande dans la zone de solidi-

fication (26) et le confinement de la matière du bain (24) par des champs électromagnétiques produits par un seul inducteur (11, ll') possédant au moins deux parties (37, 38) électriquement isolées l'une de l'autre, l'une (38) étant conjuguée à la zone de solidification (26) et l'autre partie (37) étant conjuguée à la zone de confinement (31), et en ce que l'on alimente les deux parties de l'inducteur

électriquement de façon indépendante l'une de l'autre.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en

ce que l'on produit le champ électromagnétique ou chaque champ électro-

magnétique, par un inducteur (11, ll') en une ou en plusieurs parties, au moyen d'un courant alternatif dont on ajuste la fréquence pour que la profondeur de pénétration du courant induit dans la matière ne

dépasse pas 1/4 de l'épaisseur de la bande (C, C') et dont, de pré-

férence, on ajuste l'intensité de manière que l'inductance de l'in-

ducteur reste sensiblement constante.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de la bande (C') ne dépasse pas 0,65 mm environ

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et en ce que l'on ajuste la fréquence pour que la profondeur de pénétration du courant induit ne dépasse pas 1/6 de-l'épaisseur de

la bande.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications

1 à 5, caractérisé en ce que le champ électromagnétique appliqué à la zone de confinement (31) sert également à chauffer la matière du

bain (24).

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications

1 à 6, caractérisé en ce que, pour compenser la diminution de la quantité de matière du bain (24) par la formation de la bande (C, C'),

on alimente le bain avec de la matière fondue ou solide.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications

1 à 7, caractérisé en ce que la matière est un non-métal tel que le silicium et l'on commence la coulée avec un germe monocristallin (46) en vue de la coulée d'une mince bande monocristalline, en particulier d'une mince bande monocristalline de très grande longueur qui est

enroulée à la suite de la coulée.

9. Appareil de coulée électromagnétique pour la mise

en oeuvre de l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant

une lingotière de coulée électromagnétique (10) avec un inducteur (11, ll'),.un dispositif de refroidissement (12, 12') et, éventuellement, un écran amagnétique (14), caractérisé en ce que l'inducteur (11, 1l') produit un champ électromagnétique de façonnage en bande dans une premier partie (33) située dans la zone de solidification (26) et un champ électromagnétique de confinement pour contenir la matière du bain (24) dans un espace délimité par une deuxième partie (34) située dans la zone de confinement (31), la matière restant séparée de la surface intérieure (32) de l'inducteur par un intervalle d'air

(25) dans les deux zones (26, 31).

10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'inducteur (11') possède au moins deux sections (37, 38) électriquement séparées, l'une (38) comportant la partie (33) de solidification et l'autre (37) la partie (34) de confinement, et en

ce que l'appareil comprend en outre au moins deux blocs d'alimenta-

tion électrique (40, 41) et deux dispositifs de commande (42, 43) pour l'alimentation électrique individuelle des deux sections (37, 38).

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11. -Appareil selon la revendication 9 ou 10, caracté-

risé en ce qu'il comprend au moins un bloc d'alimentation électrique (22, 40, 41) pour l'inducteur (11, 1l'), combiné avec au moins un dispositif de commande (23, 42, 43) pour ajuster la fréquence du courant fourni à l'inducteur.

12. Appareil selon l'une quelconque des revendications

9 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif (15-

21; 44, 45) pour ajouter de la matière au bain (24) à l'état fondu

ou à l'état solide.

13. Appareil selon l'une quelconque des revendications

9 à 12, caractérisé en ce que la forme de la première partie (33) de l'inducteur (11, 11') correspond à la forme de la bande mince (C, C') à couler et la deuxième partie (34) est évasée vers le haut à partir

de la première partie.

14. Appareil selon l'une quelconque des revendications

9 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend un germe monocristallin (46)

pour la coulée d'une bande (C') monocristalline.

15. Appareil selon l'une quelconque des revendications

9 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'extraction et d'enroulement (50-52) permettant de couler des bandes minces (C,

C') de très grandes longueurs.

16. Appareil selon l'une quelconque des revendications

9 à 15 et dans lequel la matière ajoutée au bain (24) est à l'état solide, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour introduire un corps solide de cette matière dans le bain à une vitesse désirée, lesdits moyens étant constitués notamment de rouleaux d'alimentation (44) pour faire avancer une barre (M) de ladite matière, d'un moteur (45) pour faire tourner les rouleaux et d'un dispositif (42) pour

commander le moteur, ce dispositif étant notamment sensible à l'in-

ductance de l'inducteur (11, 11').

17. Appareil selon l'une quelconque des revendications

9 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (23, 42, 43) pour

ajuster l'intensité du courant alternatif ou de chaque courant alter-

natif fourni à l'inducteur (11, Il') de manière que l'inductance

reste sensiblement constante.