FR2530510A1

FR2530510A1 - METHOD FOR ELECTROMAGNETIC CASTING OF METALS IN WHICH AT LEAST ONE MAGNETIC FIELD DIFFERENT FROM THE FIELD OF CONFINEMENT IS EFFECTED

Info

Publication number: FR2530510A1
Application number: FR8213220A
Authority: FR
Inventors: Charles Vives
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1982-07-23
Filing date: 1982-07-23
Publication date: 1984-01-27
Also published as: AU1716483A; AU570210B2; EP0100289B1; ATE16771T1; EP0100289A3; JPS5935865A; EP0100289A2; DE3361420D1; SU1416050A3; USRE32529E; JPH0160337B2; FR2530510B1; CA1203069A

Abstract

1. A process for the casting of metals wherein one electromagnetic confinement field generated by the inductor (3) applied to the liquid metal (2) and a stationary magnetic field generated by an annular coil (7) and a variable magnetic field generated by an annular coil (8) both applied above the level of liquid metal are caused to act simultaneously.

Description

-I 1--I 1-

PROCEDE DE COULEE ELECTROMAGNETIQUE DE METAUX DANS METHOD FOR ELECTROMAGNETIC CASTING OF METALS IN

LEQUEL ON FAIT AGIR AU MOINS UN CHAMP MAGNETIQUE WHICH IS ACTING AT LEAST ONE MAGNETIC FIELD

DIFFERENT DU CHANP DE CONFINEMENTDIFFERENT FROM THE CHANP OF CONFINEMENT

La présente invention est relative à-un procédé de coulée électroma- The present invention relates to an electromagnetic casting process

gnétique de métaux dans lequel on fait agir au moins un champ magné- metal gnetics in which at least one magnetic field is

tique différent du champ de confinement. different from the containment field.

Il est connu par le brevet français 1 509 962 que l'on peut obtenir It is known from the French patent 1,509,962 that can be obtained

des lingots d'acier ou d'aluminium par coulée électromagnétique. ingots of steel or aluminum by electromagnetic casting.

Cette technique consiste à engendrer autour d'une colonne de métal en fusion, un champ électromagnétique alternatif au moyen d'un inducteur annulaire. This technique consists in generating around a molten metal column, an alternating electromagnetic field by means of an annular inductor.

Sous l'action de ce champ, apparaissent dans le métal des forces cen- Under the action of this field, central forces appear in the metal.

tripètes qui empêchent son étalement et lui confèrent une certaine géométrie. Lorsque le métal ainsi confiné est soumis à un refroidissement par un agent frigoporteur convenable, il se solidifie alors suivant la forme tripetes that prevent its spreading and give it a certain geometry. When the metal thus confined is subjected to cooling with a suitable cold-transfer agent, it then solidifies in the form

imposée par le champ.imposed by the field.

A la différence de la coulée classique, la solidification ne se pro- Unlike conventional casting, solidification does not occur

duit pas contre les parois d'un moule, mais en dehors de tout contact avec un matériau solide Dans ces conditions, on obtient généralement des lingots ayant un meilleur état de surface qui, dans certains cas, not under the walls of a mold, but without any contact with a solid material under these conditions, ingots are generally obtained having a better surface state which, in some cases,

peuvent être utilisés directement dans des opérations de transforma- can be used directly in processing operations.

tion dimensionnelle sans avoir recours à des traitements particuliers dimensionality without resorting to specific

de surface, tels que le scalpage par exemple. surface, such as scalping for example.

Cependant, l'application de cette technique n'est pas sans-inconvé- However, the application of this technique is not without problems.

nients On a, en effet, constaté que le champ électromagnétique de confinement provoque des tourbillons et un brassage excessif du métal liquide Ceci entraîne, d'une part au cours du refroidissement, une It has indeed been found that the electromagnetic confinement field causes vortices and excessive stirring of the liquid metal. This causes, on the one hand during cooling, a

instabilité du processus de cristallisation qui se traduit par une hé- instability of the crystallisation process which results in a

térogénéité de structure et la présence de grains de morphologie dif- structural heterogeneity and the presence of grains of different morphology

férente, d'autre part, l'apparition de piqûres à la surface des lin- on the other hand, the appearance of pits on the surface of

gots dues en partie à la dislocation du film d'oxyde recouvrant le mé- partly due to the dislocation of the oxide film covering the

tal,et à sa dissémination dans la masse de métal encore liquide. tal, and its dissemination in the mass of metal still liquid.

-2- La demanderesse, consciente des avantages que procurait malgré tout -2- The plaintiff, aware of the benefits that despite everything

la coulée électromagnétique, a cherché à remédier à ces défauts. electromagnetic casting, sought to remedy these defects.

Plusieurs séries d'essais l'ont amenée à mettre au point un procédé dans lequel on fait agir, au cours de la coulée, au moins un champ Several series of tests have led her to develop a process in which at least one field is activated during casting.

magnétique différent du champ variable de confinement et qui se singu- different magnetic field from the variable confinement field and which is

larise par le fait que l'on fait agir simultanément un champ station- arises from the fact that a stationary field is simultaneously

naire et un champ variable de fréquence convenable pour, à la fois, and a variable frequency field suitable for both

produire des vibrations radiales au sein du métal non encore solidi- to produce radial vibrations within the not yet solid metal

fié et limiter le brassage.trusted and limit the brewing.

Dans la coulée électromagnétique, le maintien en confinement du métal liquide est obtenu par application d'un champ électromagnétique créé au moyen d'un inducteur annulaire alimenté par un courant alternatif In the electromagnetic casting, the containment in confinement of the liquid metal is obtained by applying an electromagnetic field created by means of an annular inductor fed by an alternating current.

de fréquence généralement comprise entre 500 et 5000 hertz L'induc- frequency generally between 500 and 5000 hertz.

teur exerce son action sur le métal liquide qui est amené-par un dis- the action of the liquid on the liquid metal which is brought

tributeur et qui s'échappe* sous forme de colonne à la partie infé- tributor and escapes * as a column to the inferior part

rieure d'un écran de section sensiblement voisine de celle du lingot of a section screen substantially similar to that of the ingot

à couler et de meme axe.to flow and same axis.

Cette action se traduit non seulement par l'effetde confinement, This action is reflected not only by the effect of confinement,

mais aussi par des mouvements de rotation du métal liquide à la péri- but also by rotational movements of the liquid metal at the

phérie du lingot dans un plan passant par son axe et dirigé de bas en ingot of the ingot in a plane passing through its axis and directed from below to

haut quand on s'éloigne de cet axe. high when one moves away from this axis.

Dans le procédé suivant l'invention, on fait agir à la fois un champ stationnaire et un champ variable de fréquence convenable pour, a la In the process according to the invention, both a stationary field and a variable field of suitable frequency are made to act at the same time.

fois produire des vibrations radiales au sein du métal non encore so- generate radial vibrations within the metal that is not yet

lidifié et limiter le brassage.lidified and limit the mixing.

Ce champ stationnaire a une direction sensiblement verticale et il This stationary field has a substantially vertical direction and it

est créé par une bobine annulaire alimentée en courant continu com- is created by an annular coil supplied with direct current

portant un nombre de spires suffisant pour atteindre des valeurs in- number of turns sufficient to achieve internal values

férieures à 0,5 tesla Cette bobine a une section horizontale voisine de celle de l'écran, et elle est placée au-dessus de ce dernier et de façon concentrique par rapport à l'axe du lingot Ce champ peut être modifié par adjonction à l'intérieur de la bobine d'un noyau en fer less than 0.5 tesla This coil has a horizontal section close to that of the screen, and it is placed above the latter and concentrically with respect to the axis of the ingot This field may be modified by adding to the inside of the coil of an iron core

de forme annulaire.annular shape.

Sous l'action combinée de ce champ et du champ de confinement, on -3constate déjà un effet bénéfique sur l'état de surface et sur la structure et l'homogénéité du métal dans la zone corticale du produit coulé. Cependant, l'invention ne se limite pas à la seule application d'un Under the combined action of this field and the confinement field, there is already a beneficial effect on the surface condition and on the structure and homogeneity of the metal in the cortical zone of the cast product. However, the invention is not limited to the sole application of a

champ stationnaire, mais également à celle d'un champ variable de fré- stationary field, but also to that of a variable field of frequency

quence convenable pour provoquer des vibrations radiales et limiter suitable for causing radial vibrations and limiting

le brassage.brewing.

Ce champ variable de direction parallèle à l'axe du lingot est obtenu au moyen d'une bobine alimentée par un courant alternatif de basse fréquence, c'est-à-dire compris entre 5 et 100 hertz Il est évident This variable field of direction parallel to the axis of the ingot is obtained by means of a coil powered by a low frequency alternating current, that is to say between 5 and 100 hertz.

que, pour des raisons de commodité, on choisit généralement la fré- that, for the sake of convenience, the frequency usually

quence industrielle de 50 Hz.industrial frequency of 50 Hz.

Cette bobine, également annulaire, est placée concentriquement àl'in térieur de la bobine alimentée en courant continu et-à une hauteur This coil, also annular, is placed concentrically inside the coil fed with direct current and at a height

moyenne située à la limite entre l'écran et cette dernière bobine. average located at the boundary between the screen and the latter coil.

Il est possible de supprimer cette bobine en alimentant directement l'écran en courant alternatif et qui devient alors générateur de champ variable, et cette substitution rend plus aisée l'introduction d'un It is possible to suppress this coil by directly supplying the screen with alternating current and which then becomes a variable field generator, and this substitution makes it easier to introduce a

noyau en fer dans la bobine alimentée en courant continu. iron core in the DC-powered coil.

En raison de la basse fréquence utilisée, le champ variable créé soit par la bobine soit par l'écran, étend son action électromagnétique à l'ensemble du métal liquide, de sorte que le mouvement de rotation du métal n'est plus limité au voisinage de la périphérie du lingot comme Because of the low frequency used, the variable field created either by the coil or by the screen, extends its electromagnetic action to the whole of the liquid metal, so that the rotational movement of the metal is no longer limited to the vicinity from the periphery of the ingot as

avec le champ de confinement, mais se manifeste jusqu'à l'axe du lin- with the confinement field, but manifests itself as far as the axis of

got De plus, la rotation s'effectue dans un sens inverse de celui In addition, the rotation is in the opposite direction to that

produit par le champ de confinement il résulte de ces effets anta- produced by the confinement field, it results from these effects

gonistes, une réduction de l'ampleur des tourbillons et du brassage constatés dans la coulée électromagnétique classique Cette action, gonistes, a reduction in the magnitude of eddies and stirring observed in classical electromagnetic casting. This action,

qui concerne donc toute la section du lingots se traduit par un affi- which therefore concerns the entire section of the ingots results in an

nage du grain et une homogénéité plus grande de la cristallisation. grain and greater homogeneity of the crystallization.

Corrélativement, la vitesse de transfert du métal dans les tourbillons diminue et la dislocation de la peau d'oxyde, même si elle n'est pas Correlatively, the transfer rate of the metal in the vortices decreases and the dislocation of the oxide skin, even if it is not

complètement supprimée, n'est-plus suivie d'une dissémination généra- completely removed, is no longer followed by a general dissemination

lisée dans le métal des particules qui en résultent, d'o une atté- in the metal of the resulting particles, hence an attenuation

nuation du phénomène de piqûres.nuation of the phenomenon of bites.

Mais le champ variable, joue également d'autres fonctions Il donne naissance dans le métal à un courant induit dont les lignes de force -4- But the variable field, also plays other functions It gives rise in the metal to an induced current whose lines of force -4-

sont des cercles concentriques Sous l'action combinée du champ sta- are concentric circles under the combined action of the static field

tionnaire et du courant induit, se développent des forces de direc- and the induced current, the forces of

tion radiale et de fréquence N égale à la fréquence du champ variable. radial and frequency N equal to the frequency of the variable field.

De même, par interaction du champ variable et du courant induit, tous deux de fréquence N, naissent également des forces radiales variables,- Similarly, by interaction of the variable field and the induced current, both of frequency N, also arise radial forces, -

mais de fréquence 2 N Ces vibrations forcées ont pour effet de pro- but of frequency 2 N These forced vibrations have the effect of pro-

duire un affinage du grain.to obtain a refining of the grain.

Selon une variante de l'invention, il est possible de créer le champ variable à partir d'une bobine alimentée avec un courant alternatif de fréquence supérieure à 100 hertz Dans ce cas, la pénétration du champ électromagnétique dans le métal va être d'autant plus limitée que la fréquence est élevée L'action combinée du champ stationnaire et du courant induit se trouve alors très réduite et les vibrations According to a variant of the invention, it is possible to create the variable field from a coil supplied with an alternating current with a frequency greater than 100 hertz. In this case, the penetration of the electromagnetic field into the metal will be all the same. more limited than the frequency is high The combined action of the stationary field and the induced current is then very reduced and the vibrations

forcées, pratiquement inexistantes. forced, practically nonexistent.

Néanmoins, on peut quand même obtenir des effets de vibration en uti- Nevertheless, it is still possible to obtain vibration effects using

lisant la résonance.reading the resonance.

En effet, en fonction des dimensions des produits coulés, de la vi- In fact, depending on the dimensions of the cast products, the

tesse de coulée, de la nature des métaux et alliages mis en oeuvre, il existe des fréquences de vibration propres du métal liquide, des dendrites en cours de formation ou de la masse solide, dont la valeur peut être déduite par le calcul ou par mesuré à l'aide de capteurs adéquats Si on ajuste la fréquence du champ variable à la valeur de casting speed, the nature of the metals and alloys used, there are natural vibration frequencies of the liquid metal, dendrites in the course of formation or of the solid mass, the value of which can be deduced by calculation or by measurement using appropriate sensors If we adjust the frequency of the variable field to the value of

ces fréquences fondamentales ou harmoniques, on développe la forma- these fundamental or harmonic frequencies, we develop the forma-

tion de vibrations de résonance dont les effets sont aussi notables resonance vibrations whose effects are also significant

sur l'affinage du grain.on grain refining.

Dans ce cas, il n'est pas toujours nécessaire de recourir à une bobi- In this case, it is not always necessary to use a bobbin

ne spéciale pour créer le champ variable car on peut, dans certaines do not special to create the variable field because one can, in some

conditions, obtenir le phénomène de résonance à partir du champ élec- conditions, to obtain the resonance phenomenon from the elec-

tromagnétique de confinement lui-même. tromagnetic confinement itself.

L'invention sera mieux comprise à l'aide des dessins qui accompagnent The invention will be better understood with the aid of the accompanying drawings

la présente demande, et sur lesquels on peut voir en figure I une cou- this application, and on which we can see in Figure I a

pe par un plan vertical passant par liaxe du lingot, d'un dispositif de coulée électromagnétique suivant l'art antérieur, et en figure 2, pe by a vertical plane passing through the ingot of the ingot, of an electromagnetic casting device according to the prior art, and in FIG.

la même coupe du dispositif suivant l'invention. the same section of the device according to the invention.

Sur la figure 1, on-voit un lingot de métal ( 1) dont la partie -5- In FIG. 1, there is seen a metal ingot (1) whose part -5-

supérieure ( 2) est à l'état liquide Ce lingot est entouré par un in- upper (2) is in the liquid state. This ingot is surrounded by a

ducteur ( 3) qui crée le champ électromagnétique de confinement, par un écran ( 4) et un système de refroidissement ( 5) Le champ crée dans driver (3) which creates the electromagnetic confinement field, by a screen (4) and a cooling system (5) The field creates in

le métal liquide des tourbillons ( 6). the liquid metal of vortices (6).

Sur la figure 2, on retrouve les m 8 mes moyens que ci-dessus auxquels sont ajoutés les moyens suivant l'invention, à savoir, une bobine ( 7) alimentée en courant continu et une bobine ( 8) alimentée en courant In FIG. 2, there are the same means as above, to which are added the means according to the invention, namely a coil (7) supplied with direct current and a coil (8) supplied with current.

alternatif Le champ créé par cette dernière bobine produit une cir- alternative The field created by this coil produces a cir-

culation du métal suivant la trajectoire ( 9), tandis que se dévelop- culation of the metal along the path (9), while developing

pent des vibrations radiales représentées par ( 10). pent radial vibrations represented by (10).

L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple de réalisation suivant The invention can be illustrated using the following example embodiment

On a coulé une billette de 0 350 mm en alliage d'aluminium 2024 af- A 0 350 mm billet of 2024 aluminum alloy was cast.

finé avec de 1 'AT 5 B à raison de 1 kg/tonne d'aluminium Une première partie a été réalisée avec application d'un champ de confinement de finished with AT 5 B at a rate of 1 kg / tonne of aluminum A first part was carried out with application of a confinement field of

fréquence 2000 hertz créé sous une tension de 28 volts et une inten- frequency 2000 hertz created under a voltage of 28 volts and an inten-

sité de 4900 ampères -4900 amps capacity -

Sur une deuxième partie,on-a appliqué le procédé selon l'invention, c'està-dire qu'on-a alimenté une bobine annulaire placée au-dessus de l'écran sous une tension continue de 24 volts, par un courant de In a second part, the method according to the invention was applied, that is to say that an annular coil placed above the screen was fed with a DC voltage of 24 volts, by a current of

17 500 ampère-tours pour créer un champ stationnaire de 0,04 tesla. 17,500 ampere-turns to create a stationary field of 0.04 tesla.

Une autre bobine, placée à l'intérieur de la première, à une hauteur voisine du haut de l'écran, était alimentée sous une tension de 75 -volts, par un courant de 3800 ampère-tours, ayant une période de 50 Another coil, placed inside the first, at a height near the top of the screen, was powered at a voltage of 75 volts, a current of 3800 ampere-turns, having a period of 50

hertz, pour créer un champ variable. hertz, to create a variable field.

On a constaté que la deuxième partie de la billette présentait uni- It was found that the second part of the billet was uni-

quement des grains équiaxes dendritiques, alors que, dans la premiè- only equiaxial dendritic grains, whereas in the first

re partie, étaient présents également des grains équiaxes sans den- Part of it also included equiaxed grains without den-

drites; de plus, le nombre de grains avait également été multiplié par 8, tandis que l'état de surface s'était sensiblement amélioré, drites; in addition, the number of grains had also been multiplied by 8, while the surface condition had improved significantly,

ne présentant ni piqûres, ni rugosités. presenting neither stings nor roughness.

La présente invention trouve son application dans la coulée élec- The present invention finds its application in the electrical casting

tromagnétique des métaux et alliages sous forme de plaques, billet- tromagnetic metals and alloys in the form of

tes, lingots etc quand on cherche à améliorer à la fois la struc- ingots, ingots, etc., when we seek to improve both the structure and

ture et l'état de surface des produits coulés. ture and surface condition of cast products.

-6--6-

Claims

CLAIMS '

1 Electromagnetic casting process of metals in which one makes

act at least one magnetic field different from the variable field of con-

finely, characterized in that a field is simultaneously

stationary and a variable frequency field suitable for

at the same time, radial vibrations within the metal not yet

solidified and limit brewing.

Method according to claim 1, characterized in that the field

stationary has a value less than 0.5 testa.

3 Process according to claim 1, characterized in that the field

stationary is modified by the presence of an iron core.

4 Process according to claim 1, characterized in that the field

variable has a frequency between 5 and 100,000 hertz.

Method according to claim 1, characterized in that the field

variable is the confinement field.

Process according to claim 1, characterized in that the field

variable is different from the containment field.

7. Process according to claim 4, characterized in that, when the frequency of the variable field is between 100 and 100,000 Hz, frequency values are selected which resonate with the natural frequencies of the liquid metal, dendrites in progress.

training, or solid mass.

8 Process according to claim 1, characterized in that the stationary field is created by an annular coil whose lower part

* is located above the level of the liquid metal.

9 Method according to claim 6, characterized in that the variable field is created by an annular coil whose lower part is

located above the level of liquid metal.