EP1239981B1 - Procede de coulee continue verticale des metaux utilisant des champs electromagnetiques et installation de coulee pour sa mise en oeuvre - Google Patents

Description

L'invention concerne la coulée continue des métaux. Plus précisément, elle concerne les dispositifs électromagnétiques implantés dans les lingotières de coulée continue agissant sur le métal liquide présent dans lesdites lingotières.

L'utilisation de champs électromagnétiques pour influer sur les mouvements de l'acier liquide dans les lingotières de coulée continue de tout format est aujourd'hui classique. L'imposition de champs électromagnétiques tournants (cas de la coulée de blooms et de billettes de section carrée ou légèrement rectangulaire) ou glissants (cas de la coulée de brames de section rectangulaire dont la largeur est très supérieure à l'épaisseur) a pour principaux objectifs d'homogénéiser les structures de solidification sur l'ensemble de la section du produit, et d'améliorer l'état de surface du produit, ainsi que sa propreté inclusionnaire notamment au voisinage de sa surface. En coulée continue de brames, il est également connu d'imposer des champs électromagnétiques statiques dans la lingotière pour obtenir une stabilisation du ménisque (surface libre du métal en fusion dans le haut de la lingotière). Cette stabilisation permet d'augmenter la vitesse de coulée des produits, donc la productivité de la machine de coulée continue. Les dispositifs électromagnétiques permettant d'obtenir cet effet sont connus sous le nom de "freins électromagnétiques".

Les utilisations connues des champs électromagnétiques dans les lingotières de coulée continue n'ont, pour l'instant, pas suffi à résoudre d'une manière complètement satisfaisante tous les problèmes de qualité des produits coulés. Parmi ces problèmes persistants on pcut citer :

• l'amélioration de la qualité de surface des produits bruts de coulée, qui passe par la réduction du nombre de criques superficielles et de la profondeur des rides d'oscillation ;
• l'amélioration de la propreté inclusionnaire sous-cutanée du produit coulé, qui passe par une réduction de la taille des "cornes de solidification" qui se forment au cours des oscillations de la lingotière, ces cornes étant des sites potentiels de piégeage des inclusions et des bulles de gaz présentes dans le métal liquide dans la lingotière, et aussi par une suppression du captage des inclusions par le front de solidification, en profitant de l'effet de "lavage" de ce front par le métal liquide entraíné par le brassage électromagnétique (les mécanismes relatifs à ces problèmes seront décrits en détail plus loin) ;
• l'obtention d'une stabilité suffisante du ménisque pour garantir une lubrification optimale de l'interface lingotière-métal solide par le laitier de couverture qui s'y infiltre à l'état liquide, pour que cette lubrification améliorée donne accès à des vitesses de coulée significativement supérieures aux vitesses usuelles.

La résolution satisfaisante de ces problèmes conduirait à une augmentation de la productivité de la machine de coulée et de l'ensemble de l'aciérie. En plus de l'augmentation de la vitesse de coulée déjà citée, elle diminuerait la fréquence des opérations d'écriquage (meulage de la surface du produit pour en supprimer les défauts) et augmenterait ainsi la proportion de produits ayant une qualité suffisante pour être expédiés directement au laminage à chaud. Or, aucune technique actuellement connue ne permet d'atteindre simultanément de façon optimale tous les objectifs qualitatifs précités. De plus, les techniques connues pour permettre de satisfaire l'un ou l'autre de ces objectifs sont soit onéreuses, soit nécessitent une mise au point délicate car elles sont très sensibles aux autres conditions de coulée. Parmi eux, outre les procédés précédemment cités mettant en oeuvre des champs magnétiques, on peut citer les systèmes imprimant à la lingotière des oscillations non-sinusoïdales, les lingotières gaufrées à rugosité de face chaude contrôlée, les laitiers de couverture à composition optimisée, etc.

Le but de l'invention est de proposer un procédé et une installation de coulée continue des métaux permettant de satisfaire les objectifs de productivité et de qualité attendus par les utilisateurs de machines de coulée continue des métaux, notamment d'acier.

Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de coulée continue verticale de produits métalliques dans une lingotière à plaques assemblées refroidies tel que défini dans les revendications 1 et 2 jointes.

L'invention a également pour objet une installation de coulée continue verticale des métaux comprenant une lingotière à plaques planes assemblées refroidies, dont deux grandes se faisant face pour définir un espace de coulée telle que définie dans la revendication 3 et dépendantes jointes.

Comme on l'aura compris, l'invention consiste à créer dans le métal liquide présent à l'intérieur de la lingotière de coulée continue au moins deux champs électromagnétiques agissant simultanément sur ledit métal dans la zone du ménisque. L'un de ces champs est un champ alternatif axial, l'autre est un champ continu transversal, tous deux s'exerçant au niveau du ménisque. Ils sont produits à l'aide d'inducteurs implantés ou produisant leur effet au voisinage du ménisque.

Schématiquement parlant, le champ alternatif colinéaire à l'axe de coulée sert à "domifier" le ménisque, c'est à dire à accuser la forme bombée en dôme qu'il prend légèrement naturellement au contact de la paroi de la lingotière, alors que le champ continu transverse agit comme un frein électromagnétique pour atténuer les irrégularités géométriques locales à la surface de ce ménisque résultant des mouvements de convection sous-jacents générés par ce champ alternatif.

Théoriquement, l'application d'un champ magnétique alternatif unique pourrait suffire à lui seul à l'obtention d'un ménisque bombé et lisse. En effet, la force électromagnétique générée sur le métal liquide a, à la fois,

• une composante surfacique de confinement qui tend à repousser la périphérie du ménisque loin de la paroi de la lingotière, donc à le "creuser" en bordure en le lissant en surface. Cette force est surtout active à haute fréquence.
• et une composante volumique de brassage qui, en raison de la configuration des mouvements de convection du métal liquide qu'elle procure (brassage en anneau avec remontée du métal au centre de la lingotière) "enfle" la partie centrale du ménisque. Cette force est en revanche surtout active à basse ou moyenne fréquence. C'est d'ailleurs pour cette raison qu'elle est à l'origine d'instabilités de surface. L'effet maximum de cette force de brassage est obtenu à moyenne fréquence, à savoir autour de 200 Hz pour fixer les idées, mais en tous cas inférieure à 500 Hz, quelque soit la nature ou l'épaisseur de la lingotière ou le format du produit métallurgique coulé.

Ce sont ces deux actions conjuguées - répulsion périphérique et brassage remontant au centre (lesquelles pourraient être obtenues à partir d'un même champ magnétique pulsatoire) qui confèrent au ménisque une forme bombée accusée recherchée.

Dans le même ordre d'idée, mais dans le but de solidifier le métal en confinement électromagnétique, c'est-à-dire hors de tout contact matériel avec la paroi refroidie d'un moule, il a déjà été proposé de créer un environnement magnétique au niveau de la lingotière constitué par la superposition de deux champs axiaux, c'est-à-dire tous deux dirigés selon l'axe de coulée, l'un étant périodique (le champ de confinement), l'autre étant constant pour produire des forces de vibration radiales dans le métal liquide confiné. Ces champs sont générés par des bobines individuelles encerclant la partie haute de la lingotière, l'une étant alimentée en courant alternatif sous une fréquence comprise entre 500 et 5000 Hz, l'autre étant alimentée en courant continu. Pour limiter l'effet de brassage du champ alternatif, il a même été proposé de rajouter une troisième bobine encerclante pour créer là où agissent déjà les deux précédentes un champ magnétique axial périodique supplémentaire à fréquence industrielle (EP-A 0100 289, ou l'article de Ch. Vivès "Effects of forced electromagnetic vibrations during the solidification of aluminium alloys: Part II. Solidification in the présence of colinear variable and stationary magnetic fields paru dans la revue Metallurgical and materials transactions B, Vol. 27B, n° 3, 1er juin 1996, pages 457 à 464"). On retrouve par exemple ce type d'enseignement, quoique de manière très succincte en l'espèce, dans le document DE 35 17 733 (1986), lequel propose d'ailleurs de mettre en oeuvre, à côté d'un champ magnétique axial variable de confinement à haute fréquence, un champ continu qui peut être indifféremment axial ou transversal, mais devant agir sur toute la hauteur de la lingotière, ce qui conduit inévitablement à des montages électromagnétiques de complexité extrême au plan technologique.

Cela dit, quelque soit l'application visée, solidification sous confinement ou, à l'instar de la présente invention, maítrise géométrique du ménisque, le problème qui se pose est de parvenir à transférer au métal coulé une énergie électromagnétique suffisante au travers de la lingotière en cuivre. Aux niveaux de fréquence retenus (sup. à 500 Hz), il faudrait en effet, en raison de l'effet d'écran magnétique qu'oppose la paroi métallique de la lingotière, la segmenter verticalement pour lui permettre de se comporter comme un "creuset froid électromagnétique".

Une telle mesure est complexe à mettre en oeuvre à la fois sur le plan électromagnétique en raison des inévitables instabilités électrodynamiques liées à la nature liquide de l'induit final (le métal liquide au sein de la lingotière) sur lequel on agit par le suscepteur intermédiaire qu'est la lingotière elle-même. C'est complexe également par le fait que la lingotière est avant tout un cristallisoir vertical sans fond dont l'étanchéité latérale doit être toujours parfaitement assurée, dont le format doit être géométriquement stable (éviter les phénomènes de gonflement des grandes faces) et dont le circuit de refroidissement est rigoureusement optimisé. Une telle segmentation de la lingotière, des grandes faces latérales en particulier, obligerait à devoir reconsidérer profondément une conception déjà éprouvée de la lingotière sur le plan technologique et sur le plan fonctionnel.

En fait, en raison de sa construction en quatre plaques en cuivre ou alliage de cuivre assemblées dans les angles (deux grandes faces planes en regard et deux petites faces d'extrémités), une lingotière à brames agit naturellement à l'instar d'un "creuset froid", mais pour les fréquences moyennes. A 200 Hz, l'essentiel de la puissance électromagnétique délivrée par un inducteur est transférable sans difficulté au métal en fusion au travers des parois dont l'épaisseur dépasse rarement les 40 ou 45 mm. Mais, à cette fréquence, la déformation du ménisque résultant, comme expliqué ci-avant, de la combinaison de la force de confinement et de la convection du métal, conduit à des fluctuations fortes dans le temps de la déformée "moyenne" du ménisque. C'est pourquoi, conformément à une caractéristique essentielle de l'invention, on applique un champ magnétique continu dirigé perpendiculairement à l'axe de coulée qui, mis en oeuvre lui aussi au niveau du ménisque, va agir comme un frein électromagnétique sur les mouvements de convection du métal liquide sous-jacents générés par la force centripète à 200 Hz de bombement du ménisque et conduire de ce fait à un effet de lissage du ménisque en surface.

L'invention sera bien comprise, et d'autres aspects et avantages apparaítront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre d'exemple de réalisation de l'invention et en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles :

• la figure 1 qui montre schématiquement, vue en coupe longitudinale, une lingotière de coulée continue de brames d'acier selon l'art antérieur ;
• la figure 2 qui montre schématiquement en perspective une lingotière de coulée continue de brames d'acier selon l'invention ;
• la figure 3 qui montre schématiquement cette même lingotière selon l'invention vue en coupe longitudinale ;
• la figure 4 qui montre schématiquement en perspective une première variante de la lingotière précédente ;
• la figure 5 qui montre une configuration de la lingotière la rendant très perméable aux champs électromagnétiques.

Sur les figures, les mêmes éléments sont désignés par des références identiques.

Une lingotière classique 1 de coulée continue de brames selon l'art antérieur schématisée sur la figure 1 comporte quatre parois planes, en cuivre ou alliage de cuivre, énergiquement refroidies par circulation d'eau interne, à savoir deux grandes parois en regard 2, 3 -dont une seule 2 est visible sur la figure 1- et deux petites parois 4, 5 de fermeture en extrémité. Par souci de simplification, les moyens de refroidissement interne des parois 2, 3, 4, 5 de la lingotière 1 (généralement un chemisage définissant des canaux verticaux à l'intérieur desquels on fait circuler de l'eau) n'ont pas été représentés.

La lingotière 1 est orientée verticalement définissant ainsi un axe de coulée 11. En cours de coulée, elle oscille verticalement à faible amplitude comme indiqué par la flèche 6. La lingotière est alimentée en acier liquide 7 par une busette 8 en matériau réfractaire monté dans le fond d'un répartiteur non représenté constituant une réserve d'acier liquide. L'acier liquide 7 introduit dans la lingotière 1 se solidifie contre les faces des grandes parois métalliques refroidies 2, 3, (et accessoirement contre les petites faces d'extrémités 4, 5) pour former une peau solidifiée 9. L'épaisseur de la peau 9 va croissante au fur et à mesure que la brame 10 en cours de solidification est extraite par le fond ouvert de la lingotière 1, dans la direction de la flèche 31, par des moyens d'extraction connus non représentés.

La surface libre 12 de l'acier liquide 7 (habituellement appelée "ménisque") est recouverte par un laitier de couverture à base essentiellement d'oxydes métalliques, dont les fonctions, toutes utiles à l'opération de coulée, sont multiples. En premier lieu, il arrête le rayonnement thermique émis par la surface 12 de l'acier liquide 7, et atténue ainsi son refroidissement. Surtout, il assure la lubrification de l'interface entre la peau solidifiée 9 et les parois 2, 3, 4, 5 de la lingotière 1, par le mécanisme suivant. Le laitier de couverture est déposé sur la surface 12 de l'acier liquide 7 sous forme pulvérulente. Il y forme une couche supérieure 13 qui demeure à l'état solide, alors que sa couche inférieure 14, mise au contact de l'acier en fusion 7, est à l'état liquide, ce qui lui permet de s'infiltrer entre la peau solidifiée 9 et les parois de la lingotière. C'est là qu'elle joue son rôle de lubrifiant. On note, cependant, la présence d'un cordon de laitier 15, c'est à dire d'une bande de laitier de couverture qui s'est solidifiée au contact des parois métalliques refroidies 2, 3, 4, 5. Ce cordon de laitier 15 parcourt tout le périmètre de la lingotière et peut présenter une épaisseur maximale significative, de l'ordre de 10 à 20 mm.

La présence du cordon de laitier 15, alliée aux mouvements d'oscillation verticale 6 de la lingotière, provoque l'apparition de défauts superficiels sur la brame 10 lors de sa solidification. La peau solidifiée 9 vient percuter le cordon de laitier 15 lors des phases de remontée de la lingotière 1. Il se forme ainsi ce qu'on appelle une "corne de solidification" 16, à savoir une incurvation de l'extrémité supérieure de la peau solidifiée 9 en direction de l'intérieur de la lingotière 1, ainsi que des rides d'oscillations plus ou moins profondes à la surface du produit coulé solidifié. Cette corne de solidification 16, et la ride d'oscillation associée, sont des sites privilégiés pour la formation de ségrégations et de criques superficielles qui dégradent la qualité du produit final, ainsi que pour le piégeage d'inclusions non-métalliques et de bulles de gaz qui remontent le long du front de solidification des régions inférieures de l'acier liquide 7.

Un remède connu à ces problèmes (cf. l'article intitulé "Improvement of surface quality of steel by electromagnetic mold" de H. Nakata, M. Kokita, M. Morisita et K. Ayata, dans Proceedings of the International Symposium on Electromagnetic Processing of Materials,1994, Nagoya) pourrait consister en l'imposition d'un champ électromagnétique alternatif sous une fréquence comprise entre 100 et 100 000 Hz, de préférence entre 200 et 20 000 Hz, au moyen d'une bobine multispires entourant la lingotière 1 sur tout son périmètre au niveau du ménisque et générant donc un champ magnétique alternatif selon l'axe de coulée.

Le dispositif selon l'invention, représenté schématiquement sur les figures 2 et 3, comporte une telle bobine 17 connectée à un générateur de courant alternatif (non représenté) fonctionnant à une fréquence appartenant à la gamme précédemment citée. Le champ électromagnétique de la bobine 17 génère des courants induits dans l'acier liquide 7, notamment au niveau du ménisque 12. Comme déjà indiqué, les interactions entre champ et courants génèrent alors une force électromagnétique dont l'effet au niveau de la paroi de la lingotière est un effet centripète 18 qui creuse la périphérie du ménisque et dont l'effet au sein du métal liquide 7 est un effet de brassage qui provoque une tuméfaction au centre du ménisque 12. Plus la fréquence du champ électromagnétique est élevée, toutes choses étant égales par ailleurs, plus la pénétration du champ à l'intérieur de l'acier liquide 7 est faible, donc plus les forces électromagnétiques (dont l'intensité ne dépend pas de la fréquence du courant) se concentrent dans un volume périphérique restreint. Ainsi, dans la gamme de fréquences précitée, on obtient des forces de confinement 18 d'une intensité suffisante pour obtenir une répulsion de l'acier liquide 7 qui se creuse à cet endroit et par conséquent cesse d'être en contact avec le cordon de laitier 15.

On obtient ainsi une surface 12 en forme de dôme prononcé pour l'acier liquide 7 dans la lingotière 1. On parvient dès lors, comme montré sur la figure 3, à réduire, voire à supprimer les cornes de solidification 16, et aussi à réduire l'épaisseur du cordon de laitier 15 puisque la température de son environnement immédiat est plus élevée. Une autre conséquence est que le laitier de couverture à l'état liquide 14 a de bien meilleures possibilités de s'infiltrer entre la peau solidifiée 9 et les parois 2, 3, 4, 5 de la lingotière, ce qui améliore la lubrification et autorise donc des vitesses de coulée plus élevées que dans la pratique conventionnelle. Le niveau où débute la solidification de l'acier liquide 7 dans la lingotière est aussi mieux contrôlé et stable, ce qui contribue à améliorer l'état de surface de la brame 10. Enfin, on atténue l'effet des variations de pression induites dans le laitier de couverture liquide 14 par les oscillations de la lingotière 1 sur la partie supérieure de la peau solidifiée 7. On réduit ainsi fortement la formation des cornes de solidification, ce qui se traduit par une atténuation marquée, voire une disparition des rides d'oscillations à la surface de la brame 10.

Les caractéristiques de la bobine 17 (sa géométrie, son nombre de spires, sa hauteur totale, sa position par rapport au ménisque) et l'intensité du courant qui y circule sont choisies de manière à générer un champ électromagnétique d'une intensité de 500 à 3000 Gauss au voisinage des parois de la lingotière dans la zone du ménisque.

Cependant, l'imposition d'un champ électromagnétique alternatif, telle qu'on vient de la décrire, comporte aussi des insuffisances et des inconvénients. Ce champ alternatif, de par ses effets de répulsion et de brassage du métal dans la zone du ménisque, génère des perturbations de la surface du ménisque dont le spectre de fréquences peut être étendu (de 0,05 Hz à plusieurs Hz). L'agitation locale de l'acier liquide par la composante rotationnelle du champ électromagnétique alternatif peut aussi y contribuer. Dans ce cas, il se produit des entraínements de laitier de couverture au sein de l'acier liquide 7 qui détériorent la propreté inclusionnaire de la brame 10. Les conditions de coulabilité de la brame 10 sont également détériorées, puisque la lubrification s'effectue de manière irrégulière. Il peut aussi y avoir des fluctuations de la ligne de localisation de la première solidification en lingotière entraínant alors des irrégularités de l'épaisseur solidifiée selon le périmètre intérieur de la lingotière.

Pour remédier à ces problèmes, selon l'invention, on superpose au champ électromagnétique alternatif colinéaire à l'axe de coulée un champ magnétique continu orienté transversalement à la direction de coulée de la brame 10, allant d'une grande paroi 2 de la lingotière à l'autre 3, et appliqué lui aussi au niveau du ménisque. Ce champ magnétique continu a pour effet de stabiliser la surface de l'acier liquide 7 présent dans la lingotière 1, en l'occurrence le ménisque 12, par amortissement de ses vibrations. Il permet de stabiliser également la position de la ligne de première solidification sur le périmètre intérieur de la lingotière et, de la sorte, à réduire les risques d'arrachement de laitier dû au brassage électromagnétique tout en générant une intensité de brassage suffisante pour assurer le lavage du front de solidification. D'autre part, il ralentit la circulation du métal liquide dans la zone sous-jacente du ménisque, que cette circulation soit due aux forces électromagnétiques générées par le champ alternatif ou provenant des jets de métal liquide sortant de la busette 8.

Comme représenté sur les figures 2 et 3, ce champ magnétique continu transversal peut être créé par un électroaimant alimenté en courant continu par un générateur (non représenté). Il est constitué par deux bobines 19, 20, d'axe horizontal commun, en regard l'une de l'autre de part et d'autre des grandes faces 2, 3 de la lingotière, et entourant chacune une pièce polaire 21, 22 constituée d'un matériau ferromagnétique doux ou de feuilles d'alliage fer-silicium. La face active des pièces polaires 21, 22 tournée en regard d'une grande paroi de la lingotière est laissée libre et positionnée le plus près possible de celle-ci. Ces faces actives sont constituées par empilage boulonné de feuilles d'alliage fer-silicium, selon le mode habituel de réalisation des pôles magnétiques des machines à induction, puis rapporté rigidement sur le corps des pièces polaires. La partie arrière de celles-ci est solidaire d'un circuit magnétique, formant culasse 23, qui entoure la lingotière et qui peut même être constitué par le châssis de la machine de coulée, le cas échéant. Les bobines sont enroulées dans le même sens de manière que les pièces polaires 21, 22 présentent des faces magnétiques actives ayant des polarités de signes opposés. On notera que, sur la figure 2, la partie de la culasse 23 entourant la petite paroi 4 de la lingotière 1, la plus proche de l'observateur, a été sectionnée, de manière à rendre visible la bobine 17. Cette conception permet de diminuer les pertes de champ magnétique en canalisant les lignes de force et en les concentrant au niveau des pièces polaires 21, 22, où le champ électromagnétique continu, de direction principalement horizontale, traverse la lingotière 1 et le métal liquide 7. L'intensité du champ magnétique au centre de la lingotière sera comprise de préférence entre 0,2 et 1 Tesla sur une hauteur de l'ordre de 100 à 200 mm dans la zone du ménisque.

Cette culasse magnétique 23 peut être en matériau plein de manière à assurer la rigidité et la solidité mécanique de l'ensemble, suffisante pour permettre le support des pièces polaires 21, 22. Il sera d'ailleurs avantageux de prévoir des éléments modulables et interchangeables, de structure feuilletée également, destinés à prolonger les faces actives des pièces polaires 21 et 22. Une telle disposition permettra, sur la base d'un électroaimant de dimension standard, de pouvoir minimiser systématiquement l'entrefer le séparant des parois 2 et 3 de la lingotière quelque soit le format à couler.

Le champ magnétique continu ainsi créé interagit avec le champ de vitesse dans l'acier liquide 7. Des courants induits apparaissent dans le métal liquide 7, déterminés par le produit vectoriel de la vitesse et de l'induction magnétique. A leur tour, ces courants induits interagissent avec le champ magnétique qui leur a donné naissance pour créer une force électromagnétique, de Laplace, qui ici est une force de freinage des écoulements de l'acier liquide 7. De cette façon, on atténue fortement les mouvements de l'acier liquide 7 au voisinage du ménisque générés par le champ électromagnétique alternatif utilisé pour donner sa forme en dôme à la surface 12 de l'acier liquide 7 ce qui contribue à stabiliser les fluctuations de niveau du ménisque. En effet, les recirculations de métal liquide dues au brassage électromagnétique, et localisées près des parois de la lingotière dans la partie convexe du ménisque 12, présentent des composantes de vitesse perpendiculaires au champ magnétique continu, qui permet de les freiner efficacement. De plus, comme représenté sur la figure 3, les busettes 8 habituellement utilisées en coulée continue de brames d'acier ont des ouïes latérales 24, 24' par lesquelles l'acier en fusion pénètre dans la lingotière 1, qui sont orientées vers les petites parois 4, 5 de la lingotière. A sa pénétration dans la lingotière, l'acier liquide 7 a donc la principale composante de sa vitesse perpendiculaire au champ magnétique continu transversal. On réalise ainsi également un effet de freinage de cette composante, avec comme conséquence avantageuse le fait que les jets d'alimentation d'acier sortant de la busette 8 descendent moins profondément dans le puits liquide. On obtient donc une meilleure homogénéité de la structure de solidification de la brame 10, et aussi une meilleure propreté inclusionnaire, puisque les inclusions non-métalliques sont entraínées à une profondeur plus faible qu'en l'absence de champ électromagnétique continu et ont donc plus de facilité pour décanter en surface et y être piégées par le laitier de couverture 13. L'effet de lavage du front de solidification par des courants de recirculation remontante de métal liquide 7 est également renforcé. L'absence de cornes de solidification est aussi favorable à une bonne propreté inclusionnaire sous-cutanée. Quant aux mouvements associés aux déformations de l'interface acier liquide 7-laitier de couverture 12, 13 tels que les ondes stationnaires ou progressives qui affectent la stabilité du ménisque, ils sont eux aussi considérablement réduits.

Comme déjà dit, les terminaisons polaires des pièces 21, 22 sont, de préférence, formés par un assemblage de feuilles métalliques orientées verticalement et séparées par des feuilles de matériau isolant, de manière comparable à ce qui se fait pour constituer les noyaux de transformateurs électriques. Si ces pôles sont massifs, le champ magnétique alternatif axial généré par la bobine 17 peut y développer des courants induits qui les chauffent par effet Joule, ce qui pourrait rendre nécessaire leur refroidissement. Une structure feuilletée, au contraire, assure naturellement leur maintien thermique à basse température sans qu'il soit nécessaire de prévoir un circuit de refroidissement forcé. De plus, ces courants induits peuvent perturber le fonctionnement du générateur de courant continu alimentant les bobines 19, 20. Il peut cependant être suffisant de limiter cette construction feuilletée aux pôles 21, 22 et de conserver une culasse 23 en matériau massif qui, comme déjà dit, assure à l'ensemble la solidité et la rigidité requise.

La distribution spatiale du champ magnétique dépend de la géométrie des pièces polaires 21, 22 et du mode de connexion électrique des bobines 19, 20. La figure 4 représente une variante de l'invention, dans laquelle on crée des gradients d'intensité du champ magnétique continu au niveau du ménisque. Une telle configuration peut parfois être avantageuse pour éliminer certaines ondes progressives à la surface libre 12 de l'acier liquide 7. Pour obtenir de tels gradients, on peut, comme représenté, conférer une forme crénelée aux pièces polaires 21, 22 entourées par les bobines 19, 20. Ainsi, la pièce polaire 21 présente deux pôles nord saillants 25, 26 et la pièce polaire 22 présente deux pôles sud saillants 27, 28 disposés face aux deux pôles nord 25, 26. Comme les flèches 29, 30 le symbolisent, c'est entre ces pôles saillants 25, 27 et 26, 28 que le champ magnétique continu a l'intensité la plus élevée. L'emplacement et la géométrie des ces pôles saillants 25, 26, 27, 28 sont déterminées par la nature des perturbations hydrodynamiques à éliminer, qui dépendent elles-mêmes de la géométrie du produit coulé 10 et des conditions d'alimentation en métal liquide 7 de la lingotière 1.

En coulée continue de brames, la distance entre les grandes parois 2, 3 de la lingotière est le plus souvent de l'ordre de 200 -300 mm, voire moins sur les installations de coulée de brames minces. Il est donc possible de créer sans difficultés particulières un champ magnétique dont les effets se font sentir d'une grande paroi 2, 3 à l'autre, et qui agit également au voisinage des petites parois 4, 5 si, comme représenté, les pièces polaires 21, 22 s'étendent sur toute la largeur de la lingotière 1. En revanche, créer un champ magnétique qui traverserait la lingotière 1 d'une petite paroi 4, 5 à l'autre serait plus difficile et généralement inefficace, car ces petites parois 4, 5 sont distantes de 1 à 2 m ou davantage, donc très éloignées l'une de l'autre. Mais dans le cas de la coulée de produits de section carrée ou faiblement rectangulaire (blooms ou billettes), surtout s'ils sont de grandes dimension (300 à 400 mm de côté par exemple), il peut être souhaitable de créer deux champs magnétiques continus horizontaux, perpendiculaires chacun à deux côtés opposés de la lingotière, au moyen d'électro-aimants semblables, par exemple, à ceux qui viennent d'être décrits. Ces deux champs n'interagissent pas l'un sur l'autre, car chacun agit sur une composante de la vitesse de l'acier liquide 7 d'orientation différente.

Comme montré sur la figure 5, de manière connue déjà évoquée au début, on peut diviser verticalement les parois de la lingotière 1, sur au moins la partie de sa hauteur soumise audit champ, en une pluralité de secteurs 43 séparés par un matériau de jointoiement isolant 44, ce afin de contrecarrer l'effet de self-induction de la lingotière elle-même à l'égard du champ magnétique alternatif axial généré par la bobine encerclante 1 7 et améliorer ainsi le rendement électrique de l'installation.

Comme on l'a dit, la fréquence du courant alternatif alimentant la bobine 17 pour créer le champ magnétique alternatif axial est normalement comprise entre 100 et 100 000 Hz. Dans la gamme des basses fréquences (100 à 2000 Hz, il est possible d'utiliser des courants alternatifs "pulsés", c'est à dire dont l'intensité maximale varie périodiquement entre une phase à une valeur maximale et une autre à valeur minimale qui peut atteindre zéro. Les phases dans lesquelles l'intensité maximale des courants a une valeur minimale permettent d'amortir les perturbations à très basse fréquence affectant la stabilité de la surface 12 de l'acier liquide 7 et la ligne de première solidification du métal coulé dans la lingotière. De manière générale, les cycles de courant pulsé se succèdent à une fréquence (dite "fréquence de pulse") de 1 à 15 Hz, préférentiellement 5 à 10 Hz.

L'effet d'amortissement des perturbations de niveau du ménisque par le champ magnétique continu axial est attribué à la combinaison de deux actions :

• une action de freinage sur les écoulements de brassage générés par la partie rotationnelle des forces électromagnétiques dues au champ alternatif ;
• une action directe de freinage sur la vitesse de pulsation des ondes de surface sur le ménisque.

Les données numériques qui ont été indiquées sont valables pour l'application de l'invention à la coulée continue de l'acier. Toutefois, l'invention est bien entendu applicable à la coulée continue d'autres métaux que l'acier, lorsque cette coulée est effectuée sur des installations similaires à celles qui ont été décrites.

Claims (9)

1. Procédé de coulée continue verticale de produits métalliques dans une lingotière oscillante à plaques assemblées refroidies, selon lequel on coule le métal en fusion à couler en le maintenant au contact desdites plaques refroidies oscillantes et l'on soumet la zone du ménisque de métal liquide présent dans la lingotière à l'action d'un champ magnétique alternatif axial, colinéaire à la direction de coulée, tendant à imposer audit ménisque une forme générale en dôme, caractérisé en ce que l'on utilise un champ magnétique généré par un courant alterné pulsé sous une fréquence inférieure à 500 Hz et l'on soumet également ladite zone du ménisque (12) à un champ magnétique continu et dirigé transversalement à la direction de coulée (11) pour permettre de stabiliser la forme dudit ménisque (12).
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit champ électromagnétique alternatif axial est généré par un courant alternatif pulsé, avec une fréquence de pulse comprise entre 1 et 15 Hz, préférentiellement entre 5 et 10 Hz.
3. Installation pour la coulée continue verticale des métaux comprenant une lingotière oscillante (1) à plaques assemblées refroidies (2,3, et 4,5), dont deux grandes (2,3) en regard pour définir un espace de coulée dans lequel le métal coulé est mis au contact desdites plaques refroidies, installation du type comportant une bobine électromagnétique (17) alimentée en courant alternatif sous une fréquence inférieure à 500 Hz et entourant la lingotière au niveau du ménisque (12) du métal liquide qui y est présent afin d'y produire un champ magnétique alternatif dirigé selon l'axe de coulée (11), caractérisée en ce qu'elle comporte également un inducteur électromagnétique (19 à 23) produisant un champ magnétique continu traversant les grandes plaques (2,3) de la lingotière au niveau du ménisque (12) perpendiculairement à l'axe de coulée
4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit inducteur électromagnétique est formé par au moins un électroaimant alimenté en courant continu, constitué par deux bobines (19, 20), d'axe horizontal commun, disposées de part et d'autre de la lingotière (1) et entourant chacune une pièce polaire (21, 22) disposée au niveau du ménisque (12) et solidaire d'un circuit magnétique formant culasse (23).
5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites pièces polaires (21, 22) ont une forme crénelée créant des gradients d'intensité du champ magnétique.
6. Installation selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que ladite culasse magnétique (23) entoure la lingotière (1).
7. Installation selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisée en ce qu'elle est divisée, au moins dans sa partie supérieure, en plusieurs secteurs verticaux (43) séparés par un matériau isolant (44).
8. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les pièces polaires (21, 22) sont en tôle feuilletée.
9. Installation selon la revendication 4 ou 8, caractérisée en ce que les pièces polaires (21, 22) comportent des éléments modulaires rapportés interchangeables.

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