La présente invention a trait à la coulée continue des métaux, de l'acier en particulier, en demi-produits de format quadrangulaire allongé, tels que des brames. Plus particulièrement, l'invention concerne l'application de forces électromagnétiques dans la région haute de la lingotière, là où s'établit le ménisque du métal liquide coulé.

Par format"quadrangulaire allongé", on entend qualifier les demis-produits (et, de manière équivalente, les lingotières correspondantes) dont la section droite, de forme rectangulaire allongée, présente des grands cotés (ou grandes faces) au moins trois fois plus longs que les deux autres côtés (ou petites faces d'extrémité). Par commodité pour la suite, on désignera ces formats allongés sous le vocable unique de"brames". Par "ménisque", on désigne classiquement la zone de bordure de la surface supérieure du métal coulé en contact avec la paroi métallique refroidie de la lingotière, généralement en cuivre ou en alliage de cuivre, cette surface supérieure étant soit laissée libre, soit plus généralement recouverte d'un laitier de coulée.

On considère désormais que pour accroître la productivité des machines de coulée continue de brames, il est devenu nécessaire d'agir simultanément suivant les deux directions que sont l'augmentation de la vitesse de coulée du produit, ainsi que l'amélioration de la qualité de peau et de la propreté inclusionnaire interne du produit coulé.

Les forces électromagnétiques sont utilisées depuis de nombreuses années en coulée continue de l'acier pour tenter d'augmenter la productivité des machines en améliorant la qualité du produit et en augmentant la vitesse de coulée.

On évoquera à cet égard l'abondante littérature parue ces dernières vingt années au sujet du brassage électromagnétique du métal coulé au sein mme de la lingotière à l'aide d'inducteurs placés derrière les parois de cuivre refroidi de la lingotière. Un effet recherché du brassage est une plus rapide évacuation de la surchauffe du métal coulé, rendant possible une augmentation de la vitesse de coulée, de mme qu'une amélioration de la propreté inclusionnaire grâce à un lavage du front de solidification par du métal liquide mis en mouvement.

On connaît encore une technique, dite du"frein électromagnétique", qui se développe depuis quelques années et qui consiste à soumettre le produit coulé à un champ magnétique continu traversant dirigé perpendiculairement aux grandes faces de la lingotière, donc orthogonal à l'axe de coulée, et placé à distance sous le ménisque. Ce champ, qui"sépare"ainsi l'espace de coulée de la lingotière en deux compartiments superposés, permet de réduire dans l'un des compartiments les perturbations hydrodynamiques du métal liquide présents dans l'autre, notamment celles venant du jet de coulée.

On citera de mme que, dans le cas d'une lingotière de coulée continue en charge (c'est à dire surmontée d'une masselotte réfractaire contenant du métal maintenu à l'état

liquide) des tentatives de confinement électromagnétique ont été proposées Un champ magnétique alternatif axial est généré par une bobine à induction entourant le produit coulé à une vingtaine de centimètres sous le ménisque là où se trouve la jonction réfractaire-cuivre refroidi de la lingotière. On vise ainsi à créer un ménisque artificiel vertical en provoquant une striction électromagnétique à cet endroit qui éloigne la peau du métal coulé de la paroi de cuivre de la lingotière et à améliorer ainsi notamment la qualité de peau par réduction, voire suppression des rides d'oscillations. Mais, l'une des difficultés majeures liées à ce type de technique réside dans l'instabilité géométrique d'un tel ménisque de confinement, instabilité bien trop aléatoire pour tre compatible avec les exigences de la pratique industrielle.

Une avancée vers une solution à un tel problème est décrite dans la Demande de Brevet français au nom du Demandeur publiée sous le n° 99-14816. Schématiquement, il s'agit, dans une lingotière de coulée continue classique (sans masselotte), de superposer au champ magnétique alternatif axial un champ magnétique continu transversal traversant de part en part le produit coulé perpendiculairement à l'axe de coulée au niveau du ménisque de la lingotière de coulée continue. Le champ alternatif axial conserve sa fonction de confinement du ménisque par striction en repoussant le métal liquide des parois de la lingotière, alors que le champ continu orthogonal rajouté a, lui, pour fonction d'amortir les perturbations du ménisque dues à ce champ alternatif, ainsi que de stabiliser ce que l'on a coutume d'appeler la ligne de première solidification que le métal coulé dessine par son ménisque sur le pourtour intérieur de la lingotière.

Les effets de la superposition d'un champ magnétique alternatif axial et d'un champ magnétique continu transversal sur la déformation du ménisque en lingotière (formation d'un dôme) et sur l'amortissement des fluctuations de niveau de ce ménisque ont été testés et mesurés sur une maquette, à l'échelle 1/3, fonctionnant avec du mercure.

Les résultats obtenus ont montré que la hauteur de dôme pouvait atteindre 20 à 30 mm suivant les valeurs de fréquence (250,1500 et 20000 Hz) et la puissance du champ continu utilisés, et que le taux d'amortissement des fluctuations de niveau du ménisque était compris en 50 et 100% suivant la location du point de mesure sur le ménisque.

On a ainsi pu observer que le champ magnétique continu transversal appliqué au niveau du ménisque réduit fortement les mouvements suivants : 1-le brassage électromagnétique résultant de la présence du champ magnétique alternatif axial utilisé pour former et stabiliser localement le ménisque. Ce brassage forme des tourbillons d'axes horizontaux localisés près des faces de la lingotière dans la partie convexe du ménisque, présentent des composantes de vitesse perpendiculaires au champ magnétique continu qui subissent un freinage efficace. Au niveau du ménisque la principale composante de vitesse du métal, due à la l'alimentation de la lingotière par la busette immergée, est perpendiculaire au champ magnétique appliqué et subit de ce fait, elle aussi, un effet de freinage, 2-les mouvements associés aux déformations de l'interface acier liquide-laitier, telles les ondes progressives ou stationnaires qui affectent la stabilité du ménisque et de la

ligne de première solidification.

Le champ magnétique alternatif est généré par un inducteur à conducteur entourant complètement la lingotière et placé en hauteur dans la région du ménisque. Le champ continu orthogonal est quant à lui généré par un électroaimant dont les pôles, , placés le long des grandes faces de la lingotière se font face de part et d'autre du produit coulé à la hauteur du ménisque également. La figure 1 donnée à la fin de ce mémoire montre schématiquement un tel équipement monté dans la partie haute d'une lingotière de coulée continue de brames au sein mme du circuit de refroidissement de celle-ci.

Un équipement de ce type est cependant relativement complexe au plan technologique et peu aisé à implanter sur la partie haute d'une lingotière de coulée continue en principe non prévue pour le recevoir. En outre, il est figé dans sa réalisation une fois pour toute et ne peut donc servir que pour une lingotière donnée de format unique en section droite, alors que des demi-produits à formats allongés de dimensions variées et multiples sont habituellement coulés en continu.

La présente invention a pour but premier de proposer une réponse permettant de résoudre de tels handicaps et vise en particulier à proposer un équipement modulable en fonction de la taille des produits coulés.

A cet effet, l'invention a pour objet un équipement électromagnétique pour tte de lingotière de coulée continue des métaux en formats quadrangulaires allongés, tels que des brames, comprenant un inducteur entourant la lingotière et placé au niveau du ménisque pour générer un champ magnétique alternatif axial, ledit champ étant associé à un champ magnétique continu transversal créé lui par un électroaimant dont les pôles, placés derrière les deux grandes faces de la lingotière, se font face de part et d'autre du produit coulé à la hauteur du ménisque également, équipement caractérisé en ce que l'inducteur générant le champ magnétique alternatif axial est constitué par deux conducteurs linéaires, mécaniquement indépendants l'un de l'autre, et logés chacun sur l'une des grandes faces de la lingotière selon la largeur de celles-ci, entre le produit coulé et un pôle dudit électroaimant.

Conformément à une variante de réalisation, ces deux conducteurs sont reliés électriquement en série entre eux par leur extrémité située au voisinage de la mme petite face de la lingotière, leur autre extrémité étant connectée chacune à l'une des bornes opposées d'une alimentation électrique à courant alternatif.

Conformément à une autre variante de réalisation, les deux conducteurs sont électriquement indépendants l'un de l'autre, chacun ayant ses deux extrémités connectées aux deux bornes opposées d'une alimentation électrique de manière que le courant électrique circule dans le mme sens au mme moment dans chacun des deux conducteurs.

Conformément à un mode de réalisation préféré, chaque conducteur linéaire est une barre formée par assemblage, en faisceau parallèle, d'une pluralité d'éléments métalliques tubulaires, en cuivre ou en aluminium, refroidis par circulation interne d'un fluide de refroidissement (de l'eau de préférence), ladite barre étant rigidement fixée dans

la boîte à eau des grandes faces de la lingotière au niveau du ménisque du produit coulé.

Comme on l'aura compris, l'invention réside sur le fait que, en contre point à la technologie connue reposant sur le principe d'un inducteur rigide entourant complètement la lingotière, on génère le champ alternatif vertical que sur les grandes faces de la lingotière. Si nécessaire, on pourra orienter et concentrer ce champ vers les petites faces à l'aide de culasses magnétiques rapportées prenant place sur chaque petite face de la lingotière au droit des conducteurs linéaires. Le champ alternatif est alors produit à l'aide de deux barres conductrices indépendantes logées chacune dans une encoche ménagée à cet effet sur la paroi froide de chaque grande face de la lingotière.

L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit donnée à titre d'exemple de réalisation, en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles : - la figure 1 est un schéma de principe basé sur une vue en coupe verticale de la partie haute d'une lingotière à brames équipée d'un dispositif électromagnétique selon l'art antérieur venant du document FR-A-9914f l6 déjà évoqué dans la partie introductive du présent mémoire ; - la figure 2 est une représentation 3D en élévation, vue en oblique du dessus et partiellement arrachée au premier plan, d'une lingotière analogue à celle de la figure 1, mais dans le cas d'un équipement selon l'invention.

- la figure 3 est une vue schématique montrant du dessus la disposition relative des deux barres conductrices reliées électriquement par l'une de leur extrémités selon une variante de réalisation de l'invention ; - les figures 4a et 4b montre dans le détails, vue respectivement en coupe transversale et en coupe longitudinale, la constitution des inducteurs linéaires selon l'invention dans une forme de réalisation préférée ; - la figure 4 est une représentation 3D vue en oblique du dessus et partiellement arrachée d'une extrémité de la lingotière montrant la connections en bout des barres de courant.

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

En se-reportant à nouveau à la figure 1 illustrant schématiquement l'état de la technique connu le plus proche de l'invention, on voit que la partie active 1 de la lingotière, à savoir sa partie centrale, seule représentée sur cette figure, est formée de deux grandes faces planes opposées 3,3'et de deux petites faces d'extrémité également planes dont seule la petite face 4 à l'arrière-plan est montrée sur la figure. Ces éléments, réunis en bout à angle droit de manière étanche, définissent entre eux un espace de coulée 5 de forme quadrangulaire allongé pour la coulée de brames d'acier. Dans cet espace de coulée, le métal en fusion sera introduit par le haut par une busette verticale immergée 8, montée dans le fond d'un répartiteur non représenté placé à distance au dessus. Le produit coulé, solidifié seulement en périphérie dans la lingotière, sera extrait en continu de la lingotière vers le bas selon la direction de coulée symbolisée par l'axe

de coulée A. C'est d'ailleurs selon cette direction que la lingotière sera animée durant toute l'opération de coulée d'un mouvement d'oscillation vertical 6 de faible amplitude nécessaire à la qualité du contact glissant entre la peau du produit coulé et la paroi intérieure de la lingotière. On a représenté en 7 le ménisque du métal en fusion maintenu à niveau au sein de la lingotière tout au long de la coulée.

Les parois de la lingotière, classiquement en cuivre ou en alliage de cuivre, sont énergiquement refroidies par circulation vigoureuse d'un liquide de refroidissement, généralement de l'eau traitée, le long de leur surface extérieure (face froide). Cette eau de refroidissement circule contre les parois depuis une chambre d'introduction inférieure jusqu'à une chambre d'évacuation supérieure.

En se portant momentanément sur la représentation plus complète de la lingotière montrée par la figure 2, on voit que la chambre à eau supérieure 28 occupe l'essentiel de la hauteur de la lingotière, la chambre à eau inférieure 29 servant avant tout à répartir l'arrivée d'eau à la base de la lingotière uniformément selon la largeur des grandes faces. Un manteau extérieur 27, constitué par une contre-plaque épaisse en acier et doté latéralement des entrées et sorties 32 d'eau de refroidissement, double à distance les parois en cuivre de la lingotière pour définir ces chambres à eau. L'ensemble est complété par un couvercle supérieur 30 et par une plaque de fond inférieure 31 montés étanches aux extrémités de la lingotière.

Ces généralités rappelées, on s'attachera à présent à décrire l'équipement électromagnétique monté au niveau de la chambre à eau supérieure dans la zone de maintien du ménisque 7 sur lequel il doit agir.

Dans un premier temps, on se référera à nouveau à la technologie connue illustrée par le schéma de la figure 1.

Le champ magnétique continu, dirigé orthogonalement à l'axe de coulée A et traversant les grandes faces 3 de la lingotière au niveau du ménisque, est généré par un électroaimant 20. Chacune de ses deux bobines constitutives 20a et 20b, à polarités opposées, est de forme oblongue de manière à s'étendre sur la totalité ou la quasi totalité de la largeur des grandes faces 3,3'de la lingotière. Chaque bobine reçoit un noyau magnétique rectiligne en fer doux 24 dont les extrémités libres sont, de préférence, des embouts rapportés de structure feuilletée verticalement. Ce feuilletage permet d'éviter un échauffement excessif des pièces polaires par effet Joule des courants induits formés par le champ magnétique alternatif axial dont on parlera par la suite. Ces extrémités libres forment des pôles magnétiques 21 et 22 qui établissent entre eux le champ magnétique transversal (horizontal sur la figure) dans lequel est placé le ménisque 7 de l'acier coulé.

Ainsi, les pôles 21,22 sont placés le long des grandes parois 3 et 3'de la lingotière et se font face de part et d'autre du produit coulé, à la hauteur du ménisque. Ces deux pôles sont reliés au châssis en acier 23 de la lingotière pour former une culasse de fermeture du

circuit magnétique, comme décrit dans la demande de brevet français précitée et à laquelle on pourra se reporter pour obtenir des informations complémentaires sur la réalisation de l'électroaimant, si on le souhaite.

Par ailleurs, selon cette technologie connue, également visible sur cette figure 1, le champ magnétique axial alternatif (fréquence comprise entre 0,1 et 100 kHz environ) est lui généré par un inducteur 10 formé par conducteur électrique filaire continu enroulé en spires entourant complètement la lingotière et placé au niveau du ménisque 7 du métal liquide coulé, donc dans l'entrefer de l'électroaimant 20.

Conformément à la technologie selon l'invention en revanche, l'inducteur à champ magnétique axial alternatif, visible d'abord sur la vue d'ensemble de la figure 2 à laquelle on se porte à présent, est formé essentiellement, non plus par un bobinage de spires encerclantes, mais par deux barres rectilignes 11 et 11'équipant chacune une grande face de la lingotière. Chaque barre est orientée horizontalement de manière à pouvoir s'étendre sur la largeur de la grande face qui la reçoit. Sa mise en place s'effectue par engagement partiel dans un évidement 26 de forme correspondante spécialement usiné à cet effet dans l'habituelle contreplaque métallique 36. Celle-ci est fermement appliquée contre la grande face 3 (ou 3') associée afin de délimiter entre elles des canalisations étanches de circulation d'eau de refroidissement. Comme le montre la figure, le blocage en position de la barre 11 (et 11') peut se faire avantageusement par venue en butée d'appui de la face polaire 25 du pôle 21 (ou 22) de l'électroaimant. Cette face polaire 25 est profilée en conséquence en forme de"L"pour venir épouser la barre 11 tout en venant par ailleurs s'appliquer contre la chemise 36, ce qui a pour effet de maximiser le rendement électromagnétique de l'électroaimant 20.

Comme on le remarquera, les bobines 20a et 20b de cet électroaimant sont déportées à distance derrière le manteau périphérique 27 à l'extérieur de la chambre à eau supérieure 28. Le noyau magnétique 24 canalisant les lignes de force du champ magnétique produit par ces bobines jusqu'aux pôles feuilletés rapportés 21, 22 (feuille d'acier au silicium) est ici une pièce polaire conformée en"S", dont l'autre extrémité se prolonge au delà de la bobine qui lui est associée jusque dans la culasse 23 du circuit magnétique entourant la lingotière et qui en l'espèce sert aussi de bâti de support de la lingotière. L'assemblage des différentes pièces constituant chaque pièce polaire permet d'assurer le montage et le démontage de l'électroaimant sur la lingotière ainsi que l'ajustement en position de coulée des grandes faces de la lingotière.

On considère à présent à nouveau les moyens de l'invention de production du champ magnétique variable axial.

Les inducteurs linéaires 11 et 11'peuvent tre alimentés électriquement de manière indépendantes, chacun ayant ses deux extrémités connectées aux deux bornes opposées d'une alimentation électrique de manière que le courant électrique circule en sens opposé au mme moment dans chacun des deux conducteurs.

Comme le montre cependant le schéma de la figure 3, ils peuvent également tre mis en circuit. Dans ce dernier cas, le raccordement électrique entre les deux inducteurs peut se faire très simplement par des liaisons souples 33 associées à des connecteurs 35 montés en bout des barres 11,11', situés au voisinage de la mme petite face de la lingotière, leur autre extrémité étant connectée chacune à l'une des bornes opposées d'une alimentation électrique à courant alternatif. De préférence, le raccordement entre les barres 11 et 1 l'se fera par un circuit semi-rigide intégré dans le bâti de la machine de coulée continue, comme on le verra en référence aux figures 5 et 4a La finalité première de cette solution technologique est, comme déjà souligné, de permettre des changements de largeur de la lingotière en cours de coulée (ou à l'arrt bien entendu), et ce tout en limitant les pertes d'énergie électrique par augmentation de la puissance réactive.

L'intégration des barres inductrices 11,11'dans la boîte à eau 28 des grandes faces de la lingotière permet en outre de les rapprocher de l'espace de coulée 5. Ceci a pour effet d'augmenter l'intensité maximale du champ magnétique axial disponible dans la lingotière à puissance électrique constante.

Dans le cas de l'utilisation de culasses magnétiques complémentaires 34,34', destinée à assurer un minimum de champ alternatif dans la zone des petites faces 4,4'de la lingotière), celles-ci peuvent tre intégrées ou non dans la boîte à eau desdites petites faces. En tous cas, elles se positionneront au droit des conducteurs linéaires 11 et 11', comme le montre la figure 3 et leur forme est définie de manière à obtenir la meilleure déviation possible du champ alternatif vers l'intérieur des petites faces. La forme en"V" tronqué et élargi montré sur la figure 3 convient généralement bien à cet égard. Le refroidissement de ces culasses sera assuré soit par l'eau circulant dans la boîte à eau (si elles y sont intégrées) soit par un circuit d'eau spécifique.) de la lingotière au droit des conducteurs linéaires (11, 1 l').

Comme le montrent les figures 4a et Ab, les barres de courant 11,11'peuvent tre avantageusement formées par un faisceau parallèle 40 de conducteurs tubulaires 41 refroidis intérieurement par circulation d'un fluide de refroidissement, de l'eau par exemple. Ce faisceau pourra tre noyé dans une matrice en résine isolante 42 qui lui assurera la cohésion mécanique. A chaque extrémité, un bloc collecteur foré 43, d'entrée/sortie de l'eau est prévu assurant l'interface avec les tubulures 44 d'amenée et de départ de l'eau.

Dans le mode de réalisation présenté, la barre de courant 11 ainsi constituée est maintenue fixe dans son logement 26 usiné dans la contreplaque 36 grâce au pôle magnétique 21 de l'électroaimant que l'on vient visser sur la contreplaque à l'aide des goujons 37 et dont la face polaire 25 a été profilée en"L"pour venir coiffer la partie de la barre 11 dépassant du logement 26. La contreplaque 36 est elle rigidement assemblée à la plaque de cuivre 3 constitutive de la grande face de la lingotière à l'aide de tirants en prise dans des embouts d'arrimage 39 incorporés dans la plaque 3.

Comme le montre les figures 4a et 5, le bloc en cuivre 43,43'sert également

d'embout de connexion électrique des barres 11 et 11'. A cet effet, il offre une face antérieure plane 45 sur laquelle viennent se souder les conducteurs tubulaires 41 à leur extrémité. La face 45 est ajourée en correspondance afin de présenter un orifice calibré en regard de chaque tube 41. Ainsi, le liquide de refroidissement est canalisé à l'intérieur du bloc foré vers les collecteurs coudés dont seule la branche horizontale 44,44'est visible sur la figure 4a, la branche verticale sortant à la verticale de la base du bloc 43, 43'n'ayant pas été représentée. Le bloc foré 43,43'présente à l'opposé de sa face antérieure 45 une excroissance en U légèrement coudée vers l'extérieur de la lingotière et formant un chevalet 46,46'. Dans ce chevalet, vient se loger l'extrémité en méplat de barreaux en cuivre 48, 48', l'assemblage étant réalisé à l'aide de boulons de serrage traversiers 49,49'. Ces barreaux 48,48', ont une fonction de renvoi permettant de relier le bloc foré 43,43'à un bus vertical 50,50'également en cuivre. Une plaque de cuivre 51 réalise un pontage entre les deux bus 50 et 50', bouclant ainsi le circuit électrique rigide qui relie les deux barres de courant 11 et 11'par leurs extrémités situées au voisinage de la petite facë 4 de la lingotière. Des blocs chevalets analogues sont montés à l'autre extrémité des barres 11 et 11', au voisinage donc de l'autre petite face 4' (et de sa contreplaque 54), afin d'assurer la liaison électrique avec les arrivée et départ de courant depuis une alimentation en énergie électrique non représentée. On notera que les barreaux de renvoi 48, 48'et les bus verticaux associés 50, 50'sont refroidis eux aussi par une circulation intérieure d'eau dont les tubulures d'entrée/sortie 52,53 sont montés sur le châssis 23 mme de la lingotière. On notera aussi que les contreplaques en acier 54 des petites faces 4,4'peuvent faire office de culasses magnétiques complémentaires 34.

Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples de réalisation décrits ci-avant, mais qu'elle s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où est respectée sa définition telle que donnée par les revendications annexées.