Amélioration de la qualité de l'acier par agitation électromagnétique sans contact en coulée continue

Dans le processus de coulée continue de l'acier liquide, les méthodes d'amélioration de la qualité du produit coulé sont primordiales. Cette préoccupation a également guidé le développement du procédé. Outre la modification de l'angle du jet et la refonte de la forme du tube d'immersion (SEN), une technique électromagnétique capable de contrôler l'écoulement du fluide sans contact entre l'acier liquide et un agitateur est utilisée comme technique de contrôle d'écoulement. L'agitation électromagnétique (EMS) en est un type : elle génère un écoulement de fluide par la force de Lorenz fournie par un moteur à induction linéaire. La technologie EMS est employée dans la coulée continue de l'acier depuis plusieurs années, mais l'effet de son application et les bénéfices subséquents de l'agitation du cœur liquide dépendent fortement de la taille de section, de la nuance d'acier et de l'application du produit.

Depuis la première application du principe de la coulée continue à l'acier sur la machine d'essai de Junghans en ex-Allemagne de l'Ouest, la qualité du produit coulé en continu a reçu une attention croissante. Ces dernières années, avec l'accent mis sur la production d'aciers purs, les exigences concernant la microstructure et l'homogénéisation de la composition du produit coulé sont plus élevées. La composition chimique, les conditions de solidification et la nature de l'écoulement de l'acier liquide dans le moule affectent la qualité de surface et la structure interne du produit coulé. L'application de la technique EMS favorise la formation d'une zone cristalline équiaxe dans le brin. Elle entraîne l'affinement de la structure de solidification, la réduction de la teneur en inclusions et l'amélioration de la qualité de la surface, de la sous-surface et de la structure interne du produit coulé.

Principes et dispositifs électromagnétiques en coulée continue

Dans le processus de coulée continue, l'acier liquide est injecté dans le moule. La coquille d'acier finale est obtenue après la solidification qui commence dans le moule et se poursuit dans les brins. Les dispositifs électromagnétiques tels que les agitateurs (EMS) et les freins (EMBR) sont des technologies bien connues utilisées pour améliorer à la fois la qualité du produit coulé final et la vitesse de coulée. Les principaux défauts de la coquille finale en termes de microstructure et de fissures de surface peuvent être directement liés à des phénomènes dans le moule tels que les variations de température, la vitesse et la pression de l'acier liquide, le comportement de la surface libre et l'emprisonnement de laitier, qui sont parmi les principales causes de défauts dans le produit final. Il convient de mentionner qu'un autre type de dispositif électromagnétique est également utilisé dans la machine de coulée continue : le freinage électromagnétique (EMBR). Ce dispositif est principalement installé dans le moule et ressemble à un EMS linéaire, mais utilise un courant continu au lieu d'un courant alternatif.

L'EMS est une technique directe et puissante pour contrôler le processus de solidification dans la coulée continue de l'acier liquide. Un avantage significatif, mais non le seul, de l'EMS est l'amélioration de la qualité et de l'uniformité de la structure et de la chimie sur la ligne centrale du produit coulé. Des avantages de productivité accompagnent les améliorations de qualité. Les résultats expérimentaux ont montré un effet bénéfique de l'EMS sur la microstructure de l'acier, par exemple en augmentant la largeur de la zone équiaxe. Plusieurs types de défauts dans le brin peuvent être efficacement réduits en amplitude avec l'application de l'EMS. Les bulles et porosités sont également considérablement affectées par l'EMS. Il est également rapporté que l'EMS augmente le rendement et la productivité du processus de coulée continue.

Historique et évolution des technologies EMS et EMBR

L'application de l'EMS au processus de coulée continue a une histoire relativement longue : les premiers essais d'EMS remontent aux années 1960. L'EMS a été introduit sur la machine de coulée continue environ une décennie après que le processus de coulée continue a commencé à produire de l'acier industriellement. Il a été démontré que l'EMS affecte également les inclusions et les bulles. L'EMS de brin (S-EMS) a ouvert la voie à la véritable application de l'EMS sur les machines de coulée continue à la fin des années 1970. L'objectif de la S-EMS est d'obtenir un ratio de zone équiaxe élevé dans le but de supprimer la ségrégation centrale. Par la suite, l'EMS en moule (M-EMS) a été développé pour améliorer la qualité de surface du produit d'acier coulé en supprimant l'emprisonnement d'inclusions non métalliques et de bulles d'argon dans la coquille solidifiée.

Dans le but d'atteindre une haute productivité du processus de coulée continue, l'EMBR a été développé dans les années 1980 pour stabiliser l'écoulement de l'acier liquide dans le moule de coulée continue. Le premier type d'EMBR crée un champ magnétique local pour lequel une paire d'aimants à courant continu (CC) est installée au voisinage du port du SEN. Le champ imposé « freine » directement l'écoulement déchargé du SEN. Le second type d'EMBR est le champ magnétique plat qui développe un écoulement de type piston sous la zone du champ magnétique. Un type de ce second EMBR est le moule à contrôle d'écoulement (FC) (qui impose une paire de champs magnétiques plats dans la partie supérieure du moule de coulée continue, stabilisant simultanément l'écoulement du ménisque et l'écoulement descendant le long de la face étroite du moule). Actuellement, la combinaison de l'EMS et de l'EMBR a également été développée.

Dans le but de contrôler le processus et d'empêcher les défauts du produit final, le processus a été amélioré avec des dispositifs électromagnétiques tels que l'EMS et l'EMBR. La principale différence est que les agitateurs fonctionnent sous alimentation en courant alternatif (CA) et produisent des champs magnétiques dynamiques. Les freins sont des aimants permanents ou des circuits alimentés par courant continu (CC). Ils produisent donc des champs magnétiques constants. Malgré ces différences, ils reposent sur la même idée : la superposition d'un champ magnétique à l'écoulement du métal génère des forces de Lorenz qui peuvent entraîner l'écoulement conformément à la conception du processus. Les phénomènes physiques se produisant dans le moule constituent un problème multi-physique qui inclut l'écoulement liquide, les analyses multiphasiques, le calcul électromagnétique, le transfert de chaleur et les processus de solidification, où chacune de ces physiques dépend des autres.

Principes physiques de l'agitation électromagnétique

Il est bien connu qu'un champ magnétique alternatif (monophasé ou multiphasé) appliqué à un conducteur, qu'il soit solide ou fluide, induit des courants électriques dans le conducteur, et donc une distribution de force de Lorenz. Cette force de Lorenz est en général rotationnelle, et si le conducteur est fluide, il est mis en mouvement. Ainsi, le champ magnétique agit comme un dispositif d'agitation non intrusif et peut, en principe, être conçu pour fournir tout motif d'agitation souhaité. L'agitation peut également être affectée par l'interaction d'une distribution de courant continu entraînée à travers un fluide et le champ magnétique associé. Lorsque la fréquence du champ est élevée, la force de Lorenz est confinée à une fine couche limite électromagnétique, et l'effet net du champ magnétique est d'induire soit une vitesse tangentielle, soit une contrainte tangentielle juste à l'intérieur de la couche limite. La distribution de vitesse ou de contrainte est liée à la structure du champ appliqué. Des configurations symétriques peuvent conduire à des motifs d'agitation dans lesquels les lignes de courant se trouvent sur des surfaces toriques ; cependant, plus normalement, le motif des lignes de courant est chaotique.

L'écoulement dans la région du moule est contrôlé par la géométrie de la buse et du moule, la vitesse de coulée, la profondeur d'immersion de la buse, l'injection de gaz argon et l'application de forces électromagnétiques. Les forces électromagnétiques sont appliquées de manière optionnelle sous forme de champs magnétiques statiques ou mobiles à travers l'épaisseur du brin. Les champs électromagnétiques statiques (CC) induisent un courant dans l'acier liquide conducteur, qui à son tour génère des forces qui s'opposent directement à l'écoulement, elles sont donc appelées « freins » ou « EMBR ». Les champs EMBR incluent des champs locaux de forme cylindrique, des champs magnétiques larges « en forme de règle » sur toute la largeur du moule, et des champs à double règle, parfois appelés « contrôle d'écoulement » ou « champs FC-moule ».

Les forces électromagnétiques sont un outil important pour contrôler l'écoulement du fluide dans le moule, combinées avec d'autres conditions de coulée, la buse et la géométrie du moule. Les méthodes incluent les champs magnétiques statiques (EMBR local et règle), et les champs magnétiques variables dans le temps, tels que l'EMS, l'EMS multi-mode, les stabilisateurs de niveau électromagnétiques (EMLS) et les accélérateurs de niveau électromagnétiques (EMLA). Une utilisation optimale peut stabiliser l'écoulement, conduisant à moins de défauts de surface, moins d'inclusions et une microstructure améliorée.

Les champs mobiles (CA) ont commencé avec l'agitation électromagnétique (EMS), où le déphasage des champs de plusieurs séries d'aimants pour faire bouger le champ net dans des directions opposées de part et d'autre du brin induit un écoulement rotatif, normalement dans le plan transversal dans le moule (M-EMS) ou agitation rotative électromagnétique (EMRS). Faire bouger les champs dans la même direction, parfois appelé « EMS multi-mode », peut induire un écoulement accéléré (EMLA) ou décéléré (EMLS). Les forces électromagnétiques offrent un avantage sur les autres paramètres de contrôle d'écoulement puisque la force induite varie avec la force de l'écoulement de l'acier liquide, donnant au système la capacité théorique d'être auto-stabilisant pour les variations d'écoulement turbulent. En pratique, cela est difficile à réaliser.

Principe de l'EMS

L'EMS utilise le principe d'un moteur linéaire. Elle diffère des types mécaniques et de décompression conventionnels en ce qu'il s'agit d'un agitateur sans contact dans lequel aucune pièce ne touche l'acier liquide. Comme montré à la Fig. 2a, une bobine installée au bas du four génère un champ magnétique mobile (H) si une tension alternative triphasée est appliquée à cette bobine (inducteur). Une force de puissance électrique est générée dans l'acier liquide du fait de l'action du champ magnétique et cause un courant d'induction (I) à l'écoulement (règle de la main droite de Fleming). Ce courant agit ensuite avec le champ magnétique de l'inducteur pour induire une force électromagnétique (F) dans l'acier liquide selon la règle de la main gauche de Fleming. Cette force est connue sous le nom de force de Lorenz.

L'agitateur électromagnétique rotatif est équivalent à un stator de moteur asynchrone. Il est normalement alimenté par un convertisseur de fréquence triphasé ou parfois biphasé. Un champ magnétique rotatif est généré dont la variation à l'intérieur de l'acier liquide produit des courants de Foucault, qui, interagissant avec le champ magnétique, génèrent une force (force de Lorenz). Le résultat final est l'apparition d'un couple qui induit la rotation de l'acier. Le couple généré dépend de plusieurs facteurs : (i) l'intensité du courant fourni, (ii) le nombre de spires formant une bobine, (iii) la fréquence, et (iv) la géométrie du système. Ces paramètres changent selon le type d'agitateur : M-EMS (agitateur électromagnétique de moule), S-EMS (agitateur électromagnétique de brin) et F-EMS (agitateur électromagnétique final).

Ainsi, le champ magnétique agit comme un dispositif d'agitation non intrusif et peut, en principe, être conçu pour fournir tout motif d'agitation souhaité. La conception, la taille et la position de l'agitateur, etc., dépendent des données de la machine de coulée continue, des nuances d'acier à produire et des paramètres de coulée.

Les systèmes EMS créent un champ d'induction magnétique rotatif avec une induction B, qui induit un courant de Foucault j dans une direction perpendiculaire à B, dont la vitesse est v. L'induction B et le courant j créent la force électromagnétique, qui agit sur chaque unité de volume d'acier et provoque un mouvement d'agitation dans l'acier liquide. Le produit vectoriel (v x B) démontre une connexion entre le champ électromagnétique et l'écoulement de l'acier liquide. Les vitesses de l'acier liquide causées par l'EMS se situent quelque part dans la gamme de 0,1 mètre par seconde (m/s) à 1,0 m/s.

Lorsqu'un courant électrique j(x,t) traverse un corps conducteur, qu'il soit solide ou fluide, en présence d'un champ magnétique B(x,t), il existe une force F par unité de volume (la force de Lorenz) donnée par l'équation F = j x B qui agit sur le conducteur. En général, cette force est rotationnelle, c.-à-d., curl F n'est pas égal à zéro, et, si le conducteur est fluide, elle ne peut pas être compensée par un gradient de pression. Dans ces circonstances, le fluide doit se déplacer en réponse à la force. C'est, dans ses termes les plus simples, le principe de l'agitation électromagnétique.

En considérant un liquide incompressible confiné dans un volume borné V avec surface S, et soit V+ la région extérieure. À l'intérieur du conducteur, B et j sont liés par la loi d'Ampère (Mo)j = curl B, V x B = 0, où Mo = 4π × 10⁻⁷ (en unités SI). Le champ magnétique peut également avoir des sources externes, par exemple des courants (CA ou CC) dans des bobines dans le domaine extérieur V+. La situation normale qui peut être considérée est esquissée à la Fig. 2b. Les courants dans les bobines externes C, C', par la loi de Faraday, induisent une distribution de courant dans le conducteur. Ce courant peut être augmenté par l'application directe de différences de potentiel entre les électrodes E, E' insérées dans la frontière S. Ainsi, le courant peut être induit par l'application d'un champ magnétique dépendant du temps, ou électriquement, ou les deux. Une très large gamme de conditions physiques et une gamme tout aussi large d'applications, particulièrement dans le domaine du traitement métallurgique, peuvent être considérées.

Malgré la grande importance pratique de certaines de ces applications, et le fait que les principes fondamentaux de l'EMS sont bien compris, la compréhension des écoulements générés par l'EMS dans toutes les circonstances, sauf les plus idéalisées, est encore à un niveau assez primitif.

Catégories de l'EMS

L'EMS peut être catégorisée selon l'endroit où elle est installée dans la machine de coulée. Selon la position de configuration et les aspects métallurgiques, tous les agitateurs électromagnétiques peuvent être classés en trois types. Ces trois applications possibles d'agitateur selon la position et les effets recherchés sur le produit d'acier coulé sont : (i) M-EMS, (ii) S-EMS, et (iii) F-EMS. La M-EMS est située dans le moule, comme son nom l'indique. C'est l'agitation en moule (parfois appelée EMS primaire). La S-EMS est située sous le moule dans la zone de refroidissement secondaire. C'est l'agitation sous le moule où reste un grand pourcentage d'acier liquide (parfois appelée EMS secondaire ou agitation sous moule). La F-EMS est située à la fin de la longueur métallurgique (juste avant que la solidification ne soit complète). C'est l'agitation juste avant le point de solidification finale (appelée EMS finale). La Fig. 3 montre les trois types principaux d'agitation.

M-EMS (Agitation électromagnétique en moule)

Une M-EMS de type rotatif est normalement le premier choix lors de la sélection d'équipements d'agitation pour billettes / blooms. Le champ magnétique rotatif produit donne un mouvement circulaire dans l'acier liquide (Fig. 3). La zone équiaxe centrale est agrandie puisque l'écoulement rotatif favorise la fracturation des pointes des dendrites colonnaires, qui servent ensuite de noyaux pour les formations de cristaux équiaxes dans la zone centrale. De plus, l'écoulement rotatif nettoie le front de solidification, empêchant ainsi les inclusions et les bulles de gaz d'être piégées. En outre, la force centrifuge développée entraîne le déplacement des phases plus légères (inclusions et bulles de gaz) vers le centre du brin, loin du front de solidification.

La M-EMS linéaire est utilisée pour les sections de brin rectangulaires plus grandes. Deux agitateurs sont alors placés horizontalement le long des faces larges du produit coulé, et les bénéfices sont similaires à ceux obtenus avec l'agitation rotative. La M-EMS était traditionnellement intégrée dans le moule selon une conception interne, où la bobine était retirée du lingotier avec le moule. Pour chaque échange de moule, les câbles électriques et éventuellement les tuyaux d'eau devaient être connectés / déconnectés à la bobine. Les nouvelles machines de coulée ont une conception externe dans laquelle la bobine est construite autour du moule et reste dans le lingotier pendant l'échange de moule.

La M-EMS est normalement installée dans la partie inférieure du moule pour l'agitation de l'acier liquide dans le moule. Elle améliore la qualité de surface, de sous-surface et interne du brin. L'application de la M-EMS entraîne une réduction des trous d'épingle, de la porosité centrale et de la ségrégation dans le produit coulé. Elle améliore la structure de solidification, réduit la rugosité de surface et augmente le taux de transfert de chaleur. La M-EMS est soit de conception ronde, soit carrée et peut être installée en interne ou en externe. Pour fournir un contrôle flexible de la vitesse d'agitation dans le ménisque du moule, la M-EMS à double bobine (Fig. 6) a été développée. La M-EMS à double bobine se compose de deux EMS indépendants. La M-EMS supérieure est destinée au contrôle d'écoulement dans le ménisque et la M-EMS inférieure effectue l'agitation du métal principal dans le moule. La réduction de la vitesse de l'acier liquide dans le ménisque est obtenue en faisant tourner le champ magnétique de la M-EMS supérieure dans la direction opposée à celle de la M-EMS inférieure. Une telle conception de M-EMS double élargit les possibilités d'utilisation de la technique EMS sous diverses conditions de coulée continue de l'acier.

S-EMS (Agitation électromagnétique de brin)

Dans une S-EMS linéaire, la bobine électromagnétique est installée le long d'un côté du brin et produit un motif d'écoulement de circulation vertical du métal liquide dans le brin (Fig. 3). Comme l'agitateur est placé le long d'un côté du brin, il peut être utilisé pour des tailles de brin très différentes. L'augmentation de la zone centrale de cristal équiaxe est obtenue par le même mécanisme que celui obtenu par l'agitateur rotatif. Les inclusions, qui sont normalement concentrées dans une bande proche de la surface supérieure dans les machines de coulée continue à moule courbe, sont également plus uniformément distribuées. La S-EMS rotative placée en position optimale haut sous le moule est sensible aux fuites (breakouts).

La S-EMS produit une force d'agitation qui pousse l'acier liquide horizontalement le long de la largeur du produit coulé et génère un motif d'écoulement de type papillon dans l'acier liquide. Lorsque la S-EMS peut être placée derrière les galets de support (Fig. 4), elle n'est pas dépendante d'un diamètre minimum de galet de support et peut donc être placée de manière optimale le long du brin du point de vue métallurgique. La S-EMS intégrée dans les galets de support nécessite un diamètre minimum de galet pour inclure le noyau en fer et les enroulements. Dans ce cas, l'agitateur est placé à une distance du ménisque et est donc moins efficace. La S-EMS fonctionne à basse fréquence pour assurer une bonne pénétration de la force d'agitation à travers le brin. En conséquence, l'acier liquide a une agitation transversale comme montré à la Fig. 3. La S-EMS est normalement utilisée en combinaison avec la M-EMS. La S-EMS peut être de type agitateur linéaire ou rotatif. Le plus courant est l'agitateur linéaire, qui est facile à installer et à protéger contre le rayonnement thermique et les fuites possibles. La S-EMS favorise la formation d'une structure équiaxe. Elle favorise l'affinement du grain dans le produit coulé et réduit la cavité de retrait, la ségrégation centrale et les fissures internes. Elle élimine également efficacement la surchauffe.

F-EMS (Agitation électromagnétique finale)

Il y a un intérêt tout aussi fort pour utiliser l'EMS pour agiter bien en dessous du moule dans la zone de solidification finale d'un brin de coulée continue. Cependant, les systèmes EMS conventionnels se sont avérés quelque peu inefficaces lorsqu'ils sont appliqués dans cette région. Comme solution potentielle, il y a eu récemment un intérêt considérable pour l'application de forces de Lorenz modulées pour développer une agitation vigoureuse largement distribuée dans la zone finale. La F-EMS est normalement installée en combinaison avec la M-EMS ou la S-EMS pour réduire et couper les pics de ségrégation centrale. La F-EMS est particulièrement efficace lors de la coulée de nuances d'acier à haute teneur en carbone ou à haut alliage. De plus, avec l'utilisation de la F-EMS, on constate que la structure de solidification du produit coulé est améliorée et qu'il y a une augmentation du ratio de la structure équiaxe et de la porosité interne. Le retrait est réduit, et le ratio de ségrégation centrale du carbone est diminué. De plus, l'espacement des bras dendritiques secondaires (SDAS) est amélioré, et le ratio de grains équiaxes centraux est considérablement augmenté, ce qui résulte en des grains plus fins. Ainsi, la qualité du produit coulé est améliorée avec la F-EMS.

Fondamentalement, il existe deux types d'agitation appliqués à la coulée continue : l'agitation « rotative » et l'agitation « haut et bas » (ou axiale) (Fig. 5). Dans le passé récent, plusieurs versions de ces types d'agitation ont été proposées dans de nombreux brevets, certains plus sophistiqués que d'autres, mais tous ou presque peuvent être classés dans l'une ou l'autre des catégories mentionnées ci-dessus.

Le champ électromagnétique dans l'EMS est créé de trois manières différentes : agitateurs linéaires, agitateurs rotatifs et agitateurs conductifs. Les pôles magnétiques de l'agitateur linéaire sont situés sur une ligne droite et les pôles magnétiques de l'agitateur rotatif sont situés sur un cercle. Les agitateurs électromagnétiques linéaires et rotatifs utilisent tous deux le courant alternatif pour produire les champs magnétiques et les effets désirés. Les agitateurs électromagnétiques linéaires et rotatifs induisent un courant dans les aciers. L'agitation conductive, d'autre part, utilise un courant de conduction plus le courant d'induction pour produire le champ électromagnétique et les effets désirés. L'agitation rotative EMS est installée à la fois dans le moule et dans la zone de refroidissement secondaire, tandis que l'EMS linéaire est principalement utilisée comme dispositifs S-EMS. L'agitation conductive est une niche par rapport aux deux autres modes.

Agitation rotative

Les travaux originaux sur l'agitation rotative ont été réalisés par un groupe d'enquêteurs en Autriche. Des billettes coulées dans un moule rond étaient agitées au niveau du moule ou juste en dessous. En effet, le moule est la seule zone où l'agitation rotative pourrait avoir du sens. L'agitation substantiellement en dessous du moule de manière rotative peut créer plus de problèmes qu'elle n'en résout. Comme indiqué, il y a un certain mérite dans l'agitation rotative de ronds dans le moule. Les inclusions solides sont retirées de la surface du brin et le transfert de chaleur est amélioré en forçant la peau solide du brin à être en meilleur contact avec le moule. Il n'y a pas de danger de rupture de la peau par agitation rotative dans le moule. Mais l'avantage majeur de l'agitation rotative réside dans la facilité de conception de l'équipement. Les ingénieurs électriciens sont très familiers avec ce type de mouvement induit électromagnétiquement car c'est le même que celui de presque tous les moteurs électriques en usage aujourd'hui.

Bien que le mouvement rotatif ne présente pas de problème de conception d'ingénierie, il peut ne pas être le meilleur type du point de vue métallurgique. L'un des problèmes de base de l'agitation rotative est que le liquide est soumis à des forces centrifuges qui tendent à ségréger ses constituants légers (inclusions par exemple) vers le centre (Fig. 5). Cela impose une limite supérieure à la vitesse du liquide, qui n'est pas nécessairement la même limite que celle fixée par l'apparition de l'effet « cadre ». Parfois, ces considérations peuvent être ignorées, comme lors de la coulée de ronds pour tubes sans soudure. Cependant, une autre limitation plus inflexible ne peut être ignorée. L'augmentation de la vitesse circulaire du liquide augmente disproportionnellement la pression sur la coquille solide, qui peut alors se rompre. Ce danger est particulièrement aigu lors de la coulée d'une nuance d'acier contenant des éléments fortement ségrégants, tels que le phosphore, le sélénium et le plomb. Le liquide à bas point de fusion que ces constituants forment occupe l'espace entre les dendrites, réduisant toute résistance que la coquille peut avoir.

Une autre situation indésirable qui se produit lors de l'agitation en dessous du moule de manière rotative, particulièrement lorsqu'elle est effectuée à un seul niveau, est la séparation effective du bassin liquide en deux parties : une partie supérieure (chaude) au-dessus du niveau d'agitation et une partie inférieure (froide) en dessous du niveau d'agitation. Outre la perturbation de l'écoulement naturel dans le bassin, ce partitionnement peut causer des problèmes de pontage (bridging). Le pontage, à son tour, intensifie la macro-ségrégation comme le démontrent certains problèmes rapportés récemment lorsque l'agitation rotative a été appliquée en dessous du moule uniquement. Un tel problème est particulièrement susceptible de se développer lors de l'agitation à basses vitesses. De grands fragments de dendrites séparés de la zone pâteuse dans la région agitée ne peuvent pas être réduits en taille en raison de la faible intensité de l'agitation. Ces grands fragments coulent vers la partie inférieure (froide) du bassin où ils ont une chance de croître, de former des amas et de causer le pontage.

Il peut y avoir un autre inconvénient à l'agitation rotative. Les premières données ont indiqué que pour réduire substantiellement la taille et la teneur en inclusions de l'acier par EMS, la vitesse du liquide doit dépasser une certaine limite inférieure. Par exemple, pour la nuance d'acier AISI 4335, cette limite a été montrée comme étant supérieure à 0,5 m/s, ce qui est comparable aux vitesses se produisant pendant l'action de bullage dans les gros lingots où une peau propre est également produite. Il y a une quasi-certitude que les limites supérieures mentionnées précédemment pour un mouvement rotatif sûr du liquide entrent en conflit avec les exigences de haute vitesse pour la réduction des inclusions. Il en va de même pour produire les nouvelles structures de solidification, à savoir la structure fibreuse et les structures thomnitiques ou modifiées par l'écoulement, qui ont également besoin de hautes vitesses. Les segments de l'industrie sidérurgique qui ont poursuivi agressivement de nouveaux développements pour la qualité, en général, et l'agitation par induction peuvent bientôt poursuivre ces structures par agitation à haute vitesse.

Agitation axiale

La version axiale ou « haut et bas » de l'agitation permet de déplacer la portion liquide d'un brin en solidification dans une direction parallèle à l'axe du brin ; ce type de mouvement induit peut être utilisé pour intensifier les motifs d'écoulement convectif naturels induits thermiquement. Dans la zone du moule, il y a des raisons d'inverser l'écoulement naturel. Dans la coulée continue de l'acier, la zone du moule constitue une petite partie du bassin liquide qui peut être profonde de 15 m ou plus (dépendant de la vitesse et de la taille de la machine). En dessous du moule, l'écoulement est « vers le bas » adjacent à la peau solide et « vers le haut » au centre du brin.

La version « haut et bas » de l'EMS est la plus appropriée du point de vue métallurgique. La vitesse du liquide est pratiquement illimitée dans cette technique, ce qui fournit une ample liberté pour l'application des contrôles désirés. Le danger de fuites est minimisé, car les forces induites électromagnétiquement tendent à contenir le liquide plutôt que de le forcer contre la coquille solide. Il y a d'autres avantages majeurs. Le liquide chaud du haut est rapidement amené au fond du bassin, ce qui tend à réduire quelque peu l'épaisseur de la coquille et à maintenir le gradient de température élevé à travers la zone pâteuse. Ces deux effets améliorent le flux de chaleur, ce qui à son tour peut être utile pour augmenter la productivité de la machine de coulée continue. Il y a une autre façon dont la productivité peut être améliorée avec cette version de l'EMS. Le contour de la coquille solide peut être modifié pour former un fond arrondi et la profondeur du bassin réduite. Cela permet des vitesses de coulée plus élevées. L'étendue du retrait et de la ségrégation sur la ligne centrale peut également être réduite, puisque les isothermes sont modifiées et la croissance au centre du brin a une composante ascendante accrue.

Finalement, même les inclusions qui se forment pendant la solidification, telles que les amas d'alumine notoires, ne sont pas autorisées à être piégées dans le solide ; elles sont rapidement balayées vers le haut du bassin où elles ont une chance de rejoindre le laitier (c.-à-d. flotter au-dessus du ménisque) et, par conséquent, être éliminées. Ce type d'écoulement est plutôt difficile à mettre en œuvre, particulièrement si l'agitation doit être appliquée sur une partie considérable le long de la longueur métallurgique, c.-à-d. la version continue de l'agitation « haut et bas ». Il faut souligner, cependant, que les difficultés dans ce cas sont du côté de l'ingénierie électrique du problème. Il est relativement difficile de mettre en œuvre un écoulement unidirectionnel sans perturbations majeures qui apparaissent soit entre les bobines, soit à la fin d'une série de bobines qui forment un moteur linéaire. Ces anomalies se reflètent dans les structures coulées sous forme de bandes de ségrégation positive ou négative. De plus, l'agitation « haut et bas » a normalement besoin d'une zone plutôt grande du brin libre de galets de support, ou au moins d'une modification des galets, pour qu'ils n'interfèrent pas avec les champs des moteurs linéaires utilisés. Enfin, les moteurs linéaires utilisés pour ce type d'agitation ont une efficacité très faible (de l'ordre de 1 % ou même moins), principalement en raison de la haute résistance de leurs boucles électromagnétiques (grands écarts d'air et écarts de peau métallique solide).

Agitation à inversion intermittente

Une variation du mode d'agitation rotative a été suggérée, à l'origine par des enquêteurs japonais. La technique prévoit une inversion intermittente de la direction de l'écoulement qui, selon les allégations, améliore la taille de la zone équiaxe. La discussion ci-dessus pour l'agitation rotative s'applique ici, avec quelques qualifications supplémentaires. Le mouvement intermittent gaspille de l'énergie, mais il a du mérite pour atteindre un objectif de l'EMS : frustrer la croissance colonnaire. L'inversion de l'écoulement dans l'agitation peut non seulement briser les dendrites en fragments plus petits par cisaillement dans des cellules de turbulence locales, elle peut également frustrer la croissance unidirectionnelle des dendrites colonnaires, car ces dendrites tentent de croître dans l'écoulement (en amont) tout le temps. Il est douteux, cependant, que d'autres bénéfices possibles de l'EMS puissent être dérivés avec cette technique.

Effet de l'agitation électromagnétique sur la qualité des produits d'acier coulé

La composition chimique, les conditions de solidification et la nature de l'écoulement de l'acier liquide dans le moule affectent essentiellement la qualité de surface et la structure interne du brin. Le processus de formation du brin inclut la solidification de l'acier liquide dans le moule et dans la zone de refroidissement secondaire (SCZ). Les champs magnétiques rotatifs ou voyageurs affectent la nature des écoulements dans le liquide et intensifient les processus de transfert chaleur-masse. Le degré d'influence de l'agitation électromagnétique sur la qualité du brin dépend des caractéristiques techniques de l'EMS et de son agencement le long de l'axe de courbure de la coulée continue. L'EMS peut être installée avec succès dans le moule, dans la SCZ et dans la zone de solidification finale (FCZ).

Pour améliorer la qualité de surface, de sous-surface et interne du brin, l'agitation de l'acier liquide doit avoir lieu dans le moule. La M-EMS est soit de conception ronde, soit carrée et peut être installée en interne ou en externe. Le résultat de l'application de la M-EMS est une réduction de la porosité centrale et de la ségrégation dans le produit coulé. Pour fournir un contrôle flexible de la vitesse d'agitation dans le ménisque du moule, la M-EMS à double bobine (Fig. 6) a été développée. Elle se compose de deux EMS indépendants. La M-EMS supérieure est destinée au contrôle d'écoulement dans le ménisque. La M-EMS inférieure effectue l'agitation principale du métal dans le moule. La réduction de la vitesse du métal dans le ménisque est obtenue en faisant tourner le champ magnétique de la M-EMS supérieure dans la direction opposée à celle de la M-EMS inférieure. Une telle conception de M-EMS élargit les possibilités d'utilisation de la technique sous diverses conditions de coulée continue d'acier liquide.

L'application de l'agitation électromagnétique des aciers favorise la formation d'une zone cristalline équiaxe dans le brin. L'agitation améliore la qualité du brin, même dans la coulée d'acier avec surchauffe. Pour réduire davantage et couper les pics de ségrégation centrale, la F-EMS, en combinaison avec la M-EMS ou la S-EMS, doit être utilisée. La F-EMS est particulièrement efficace lors de la coulée de nuances d'acier à haute teneur en carbone ou à haut alliage. Les combinaisons F-EMS et M-EMS réduisent les zones avec la teneur en carbone la plus élevée, où la cémentite et la martensite peuvent sinon se former. Il a été constaté que les aciers inoxydables, se solidifiant avec de la ferrite primaire, ont un centre sain à un ratio de réduction de 3,6 lors de l'utilisation de S-EMS et F-EMS. L'application de la S-EMS augmente la zone cristalline équiaxe au lieu de la structure colonnaire et réduit les fissures dans le brin d'acier. Les bénéfices disponibles en utilisant un ou plusieurs EMS en combinaison sont listés dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Bénéfices disponibles avec l'utilisation d'un ou plusieurs EMS
	M-EMS	M-EMS + F-EMS	M-EMS + S-EMS + F-EMS	M-EMS + S-EMS	S-EMS	S-EMS + F-EMS
Trous d'épingle et soufflures	+++	+++	+++	+++	–	–
Fissures de surface et sous-surface	+++	+++	+++	+++	–	–
Réduction des fuites	++	++	++	++	+*	+*
Fissures de surface (rond)	++	++	++	++	–	–
Structure de solidification et fissures internes	++	++	+++	++	+**	+**
Ségrégation ligne centrale et porosité centrale	++	+++	+++	++	++	+++
Ségrégation en V	+	+++	+++	++	+***	++

* S-EMS en position haute
** Meilleure structure seulement dans la partie centrale du produit, après position de la S-EMS, structure pire dans la partie externe comparée à l'application de M-EMS. Risques de ségrégation négative lorsque l'agitation est excessive.
*** avec S-EMS en position basse

Pour des qualités plus exigeantes, l'utilisation de l'EMS peut être justifiée lorsque les coûts des défauts de qualité, du conditionnement ou des rebuts, ou les coûts de coulée de sections plus grandes sont trop importants. L'agitation rotative est utilisée pour l'acier au carbone avec un carbone inférieur à 0,2 %. Dans certains cas, l'agitation en moule est préférée à l'agitation secondaire car dans l'agitation secondaire, la ségrégation négative est trouvée. En fait, la ségrégation négative n'a aucun effet sur les propriétés mécaniques, mais une exception mineure est qu'elle peut causer une variation locale dans la trempabilité qui n'est pas appréciée. Pour une teneur en carbone entre 0,2 % et 0,5 %, une agitation à deux étages est utilisée. Il est préférable de compléter l'agitation en moule avec l'agitation secondaire ou finale. Pour une teneur en carbone supérieure à 0,5 % et les aciers alliés avec une large gamme de solidification, une agitation à trois étages est utilisée.

Tout bénéfice de l'EMS pour les brames peut être annulé par une mauvaise géométrie. Il faut donc prendre soin de l'usinage. Méthode de réduction des courants de convection de la buse immergée avec l'EMBR pour améliorer la propreté. Cela consiste en deux ensembles de bobines placés le long des parois externes des faces du moule. Le champ magnétique réduit la vitesse de l'acier liquide et les impuretés flottent vers la surface où elles sont piégées par la poudre de moule. La géométrie de l'écartement des galets des lingotières à blooms et plus considérablement des lingotières à brames peut avoir une influence majeure sur la qualité interne des demi-produits de coulée continue et sur divers types de ségrégation et par conséquent les niveaux accrus de certains éléments dans ces zones ségréguées. Les principaux types de ségrégation causés par les écarts par rapport aux véritables écartements de galets sont : (i) macro-ségrégation inter-colonnaire, (ii) macro-ségrégation ligne centrale, et (iii) ségrégation semi-macro hors centre (aussi appelée ségrégation en V ou ségrégation par taches).

Dans la gamme de température de 1 300 °C jusqu'au solidus, la ductilité de l'acier est très faible. Cela est dû aux phases liquides de FeS et MnS qui se sont ségréguées aux frontières entre dendrites. FeS et MnS ont tous deux des points de fusion bien inférieurs à celui de l'acier et donc ces frontières faibles s'ouvrent à des déformations de traction assez faibles.

L'un des problèmes métallurgiques trouvés dans les produits coulés en continu est le développement de grandes zones dendritiques colonnaires. L'effet de la croissance colonnaire sur les propriétés mécaniques telles que la perte de ductilité dans l'acier a été étudié par Weiser. Alberney a montré que les défauts de ligne centrale dans la coulée continue peuvent être considérablement réduits en contrôlant les régions de croissance colonnaire. Le contrôle de la croissance colonnaire est crucial pour produire des produits de brin coulé de bonne qualité.

Essentiellement, l'agitation par induction cause un écoulement de balayage le long de l'interface solide-liquide qui affecte la structure de solidification finale car elle influence les conditions de croissance locales telles que le gradient de température, l'épaisseur de la couche limite, et la structure et la taille de la « zone pâteuse ». Puisque la macro-ségrégation est connue pour résulter de l'écoulement de fluide inter-dendritique, la réduction de la longueur de la « zone pâteuse » permet de réduire efficacement l'étendue de la macro-ségrégation, particulièrement le long de la ligne centrale. Plusieurs études ont montré que l'EMS est un moyen efficace d'améliorer les structures de solidification de l'acier coulé en continu en prévenant la croissance colonnaire.

La taille des zones colonnaires et la ségrégation inter-dendritique et la porosité de retrait associées sont grandement réduites par l'utilisation de l'agitation électromagnétique en brin ou en moule. Cette dernière technique augmente efficacement la taille de la zone de solidification équiaxe et réduit considérablement la quantité de retrait sur la ligne centrale (Fig. 6). La taille relative des zones colonnaires et équiaxes dans une section transversale de coulée est également affectée par la surchauffe de l'acier liquide. Une surchauffe élevée dans des billettes non agitées augmente la taille de la zone colonnaire car la nucléation des dendrites équiaxes est retardée. L'EMS réduit les effets des surchauffes élevées mais ne compense pas complètement l'augmentation de la taille des zones colonnaires développées par des températures de surchauffe élevées.

La surchauffe était l'un des facteurs les plus fondamentaux reconnus dès les premières années de la coulée continue, surtout pour les aciers à carbone moyen et élevé. Dans un rapport précoce, des essais en usine pilote ont été effectués pour couler des billettes de 150 mm x 150 mm d'aciers à haut carbone. Il a été prouvé qu'à de faibles surchauffes ou même à des températures de coulée sous-liquidus, la ségrégation ligne centrale était minimisée. L'agitation électromagnétique au moule (M-EMS) a montré certains bénéfices, et l'application de l'EMS aux stades de brin (S) et final (F) de solidification a commencé à être installée dans certains lingotiers. Il a été constaté que la combinaison d'EMS, c.-à-d. (S+F)-EMS pour les blooms et (M+S+F)-EMS pour les billettes, est la méthode la plus efficace pour réduire la macro-ségrégation parmi diverses conditions d'EMS, les amenant à se solidifier plus rapidement pendant les stades finaux de solidification, fournissant des porosités et des taches de ségrégation plus finement distribuées le long de la région centrale. L'épaisseur optimale du bassin liquide a été trouvée pour diminuer à mesure que la teneur en carbone augmentait, ce qui peut être attribué à des temps de solidification plus longs dans la plage de fraction solide (fs) de fs = 0,3 à 0,7. L'effet de la surchauffe sur la structure de solidification a été analysé, vérifiant le fait empirique qu'en augmentant la surchauffe, la croissance dendritique colonnaire augmente contre l'équiaxe. Ils ont conclu que les effets de convection influençaient le comportement de micro-ségrégation des aciers à haut carbone (C ≤ 0,7 %) et à haut manganèse étudiés.

L'effet des paramètres de F-EMS avec l'intensité de courant augmentant de 300 A (ampère) à 400 A et la fréquence augmentant de 4 Hz (hertz) à 12 Hz, sur les forces électromagnétiques et la distribution de concentration de carbone dans la section transversale centrale de billette carrée d'acier 70 a été étudié. Le paramètre optimal de F-EMS pour uniformiser la concentration de carbone en section transversale centrale et minimiser la ségrégation centrale du carbone des billettes d'acier 70 a été obtenu avec une intensité de courant de 280 A et une fréquence de 12 Hz. Sous ce paramètre d'agitation, les indices de ségrégation du carbone pour tous les points d'échantillonnage sont dans la plage de 0,92–1,05, ce qui est attribué au fait que son intensité d'agitation est plus appropriée pour diminuer la température du centre du brin et augmenter le taux de solidification de la billette. Donc, l'élément soluté rejeté a un temps limité pour se transporter après l'agitation électromagnétique qui favorise la réduction de la ségrégation centrale.

Il est bien connu que les porosités et les cavités de retrait se produisent dans la partie centrale des blooms et billettes de coulée continue. Bien qu'il y ait de bons résultats sur les niveaux de ségrégation de carbone à un courant d'agitation et une fréquence de 280 A et 12 Hz respectivement, des investigations plus approfondies ont montré que la F-EMS a un impact considérable sur les autres qualités internes d'une billette carrée.

L'effet des paramètres de F-EMS sur la ségrégation centrale a été étudié dans le processus de coulée continue de billette de 140 mm × 140 mm. Dans le modèle, la croissance initiale des grains équiaxes qui peuvent se déplacer librement avec le liquide a été traitée comme une bouillie, tandis que la zone équiaxe cohérente a été considérée comme un milieu poreux. Les résultats montrent que la vitesse d'agitation n'est pas le principal facteur influençant l'amélioration de la ségrégation centrale, qui est plus affectée par l'intensité du courant et la largeur du bassin d'agitation. Comme le transport de soluté est contrôlé par le taux de solidification comme la largeur du bassin d'agitation, la ségrégation centrale diminue continuellement avec l'augmentation de l'intensité du courant. Comme la largeur du bassin liquide diminue et que moins de chaleur latente doit être dissipée dans la solidification ultérieure, la ségrégation centrale peut être améliorée plus évidemment par la F-EMS. En raison de l'enrichissement en soluté du centre liquide et de l'accumulation de phase liquide dans la zone d'agitation, la ségrégation centrale se met à augmenter inversement avec une intensité de courant plus élevée et devient plus grave avec une diminution supplémentaire de la largeur du bassin d'agitation, elle forme une ségrégation positive et le soluté peut se concentrer avec une agitation faible, conduisant à une détérioration de la ségrégation centrale. Avec l'intensité de courant optimisée, l'amélioration de la ségrégation centrale est meilleure par rapport à la F-EMS.

Certaines techniques d'agitation F-EMS sont plus efficaces que d'autres en termes de transformation morphologique de la structure de dendritique originale en globulitique et en son affinement. La macrostructure des coulées sans utilisation d'agitation est différente de celle avec l'utilisation d'agitation. La structure obtenue avec l'agitation conventionnelle est largement en forme de globules avec une certaine présence de dendrites et de fragments de dendrites. La structure obtenue avec l'agitation modulée consiste en cristaux entièrement en forme de globules et la structure semble plus affinée.

La taille des grains peut être variée en appliquant différents réglages d'agitation. Avec l'agitation conventionnelle F-EMS, le diamètre des grains est réduit à la fois au rayon milieu de la coulée et dans la zone centrale par comparaison avec la structure non agitée. Une réduction supplémentaire du diamètre des grains a été réalisée avec l'agitation modulée en contre-rotation et non modulée. Cependant, le plus petit diamètre des grains dans les coulées a été obtenu avec l'agitation modulée unidirectionnelle, par comparaison avec le diamètre des grains dans la coulée sans agitation.

En général, la microstructure des échantillons utilisant la F-EMS se compose de globules et de grains allongés dans la structure obtenue avec agitation, et de réseau eutectique intergranulaire fin contenant différents composés. La structure dendritique grossière des produits coulés sans agitation peut être transformée en une structure principalement globulaire avec quelques formes en rosette en résultat de l'application de l'agitation conventionnelle. La structure obtenue avec l'agitation modulée unidirectionnelle consiste en un mélange de globules fins de forme ronde et de grands grains allongés. Cette structure semble également plus affinée par comparaison avec celle obtenue avec l'agitation conventionnelle.

La surface moyenne et la longueur des globules dans la microstructure de la zone combinée rayon-milieu et centre de la coulée obtenue avec agitation conventionnelle est quand comparée avec la structure des autres coulées. La surface moyenne des globules dans la structure peut être réduite, mais pas dans le cas de la structure obtenue sans agitation. La structure obtenue avec agitation modulée unidirectionnelle dans les coulées, la surface moyenne des globules dans ces coulées est réduite par comparaison avec l'agitation conventionnelle. Une tendance similaire est déterminée dans la réduction de la longueur des globules. Concomitamment à la réduction de la taille des globules, leur densité a augmenté. L'effet de la M-EMS sur les structures de solidification a été obtenu sous surchauffe fixe, vitesse de coulée, intensité de refroidissement secondaire, et fréquence de M-EMS. Le ratio de la zone de grain équiaxe central a été trouvé pour augmenter avec la diminution de la surchauffe, l'augmentation de la vitesse de coulée, la diminution de l'intensité de refroidissement secondaire, et l'augmentation du courant de M-EMS. Mais la zone équiaxe est limitée pour la M-EMS, puisqu'elle a plus de responsabilité envers la zone colonnaire. La taille des grains a évidemment diminué avec la diminution de la surchauffe et l'augmentation du courant de M-EMS mais était moins sensible à la vitesse de coulée et à l'intensité de refroidissement secondaire.

Ségrégation en bande blanche

L'utilisation croissante de l'agitation électromagnétique (EMS) ces dernières années a apporté avec elle un intérêt accru pour le problème connu sous le nom de bandes blanches. La bande blanche est une zone de ségrégation négative (apparaissant blanche sur les impressions au soufre) fréquemment trouvée dans les produits agités par S-EMS et correspondant à la position du front de solidification pendant l'agitation. L'apparence visuelle de la ségrégation a non seulement donné naissance au nom mais est probablement aussi la caractéristique la plus indésirable de la bande blanche. L'étendue de la ségrégation négative à la bande blanche est inférieure à la ségrégation positive à la ligne centrale, mais sa présence continue après le travail à chaud peut entraîner un frein à l'acceptation par le client, principalement pour des raisons esthétiques. Kor a suggéré une explication, dans laquelle la bande blanche est le résultat de changements dans le taux de croissance au début et à la fin de l'agitation du brin. La bande blanche est due au mécanisme de lavage du soluté qui a été découvert pour la première fois par Bridge et Rogers. Cela propose que les écoulements turbulents causés par l'EMS pénètrent la maille dendritique et balayent le liquide inter-dendritique enrichi (Fig. 7). Cependant, pour maintenir cette action, il est nécessaire de supposer que le soluté éliminé est très rapidement dispersé dans le reste du liquide. Cela étant, il est alors difficile d'expliquer l'enrichissement en soluté observé à la fin de l'agitation.

Modélisation mathématique

En tandem, la modélisation mathématique a joué un rôle important dans la mise en œuvre de l'EMS, en ce qui concerne la fourniture d'une compréhension plus approfondie des effets de l'agitation sur, par exemple, le transfert de chaleur et de fluide. Une série d'études par Schwerdtfeger et collaborateurs a formé la pierre angulaire de la modélisation dans ce domaine. Plus spécifiquement, ils ont exploré, à la fois expérimentalement et théoriquement, l'effet de l'agitation dans la billette ronde, le bloom rectangulaire et les géométries de brame qui sont caractéristiques pour la coulée continue de l'acier. Ces modèles consistent en les équations de Navier-Stokes pour le champ de vitesse du métal liquide et les équations de Maxwell pour la densité de flux magnétique induit. En principe, ces équations sont couplées dans les deux sens, puisque le champ magnétique alternatif donne lieu à une force de Lorenz qui entraîne le champ de vitesse. Ce dernier, à son tour, peut affecter le champ magnétique. De plus, la fréquence du champ magnétique est généralement suffisamment grande pour permettre l'utilisation de la valeur moyennée dans le temps de la force de Lorenz comme entrée pour les équations de Navier-Stokes.

Une étude récente de Vynnycky a revisité le problème d'une EMS rotative appliquée à la coulée continue de billette ronde et a trouvé que la méthode utilisée à l'origine pour déterminer les composantes de la force de Lorenz menait à une solution non unique. Cela a été une conséquence du fait que la composante normale de la densité de flux magnétique induite, plutôt que les composantes tangentielles, a été prescrite comme condition aux limites. De plus, puisque la composante normale a été prescrite dans les modèles pour le cas de l'agitation longitudinale pour les blooms rectangulaires aussi, il est naturel de s'attendre à une non-unicité dans ces modèles aussi. En outre, puisque les expressions pour les composantes de la force de Lorenz sont encore fréquemment utilisées, il est clair qu'une résolution du problème est encore opportune, surtout compte tenu de l'intérêt moderne pour l'EMS modulé. Dans ce cas, des champs magnétiques de fréquences différentes sont appliqués et l'intention est que la force de Lorenz résultante ait une partie moyennée dans le temps constante et une partie variable dans le temps. Il va sans dire que poser les bonnes conditions aux limites pour le champ magnétique est important pour obtenir des résultats significatifs de la modélisation.

Depuis la mise en œuvre industrielle précoce de l'EMS, il a été reconnu que les nuances d'acier exigeantes, en particulier celles avec une large gamme de solidification, bénéficient de l'agitation à la fois dans le moule de coulée et à un stade de solidification ultérieur. Ce type d'agitation, dans la coulée continue d'acier liquide, est devenu connu sous le nom d'agitation de zone de solidification finale ou F-EMS. Malgré les premiers rapports sur l'efficacité de la F-EMS par rapport à l'amélioration de la qualité interne du brin coulé, en particulier la solidité structurelle et la ségrégation, à long terme, il a été réalisé que la performance métallurgique de la F-EMS manquait à la fois d'efficacité et de cohérence, ce qui peut être attribué à un certain nombre de facteurs déterminants. Premièrement, il est important de positionner la F-EMS par rapport au stade de solidification qui correspond à un certain niveau de fraction solide dans le volume de fusion. Deuxièmement, l'agitation à ce stade de solidification est effectuée sous des conditions de couple d'agitation progressivement diminuant et de viscosité de fusion croissante. La première se produit en raison d'une réduction du rayon du bassin d'agitation, tandis que la seconde est due à une augmentation de la fraction solide de la fusion.

Il y a aussi un facteur important supplémentaire impactant l'efficacité de l'agitation, découlant de la nature du champ magnétique utilisé pour l'agitation. Les systèmes d'agitation actuellement employés dans la production de produits d'acier coulé en continu sont basés sur l'application d'un champ magnétique rotatif (RMF). De tels champs ont des limitations dans leur application à un stade de solidification ultérieur ou avancé, découlant du fait que la vitesse angulaire résultante est très presque constante par rapport à la position radiale. Ce motif d'écoulement est caractérisé par une force de cisaillement intensive et une turbulence à l'interface solide-liquide qui est hautement efficace en termes de fragmentation de dendrites et de développement subséquent d'une structure de solidification équiaxiale, mais a très peu d'impact sur le mélange dans le volume de fusion, en particulier près de sa région centrale. En revanche, une turbulence et un mélange intensifs à travers le volume de fusion sont requis à un stade de solidification tardif afin de perturber la formation du réseau cristallin et, associé à cela, le développement de défauts structurels tels que la porosité, les fissures et la ségrégation solutale.

Il y a eu de nombreux développements visant à améliorer l'agitation basée sur RMF à un stade de solidification ultérieur par l'amélioration de l'écoulement secondaire dans le plan radial-axial. Ainsi, des schémas d'agitation intermittents et alternatifs, qui utilisent tous deux des périodes séquentielles forcées et dormantes, ont été introduits dans les années 1980. Kojima et collaborateurs ont démontré expérimentalement, tandis que Davidson et Boysan ont confirmé théoriquement qu'un fort écoulement recirculatoire se produit dans les directions radiale-axiale pendant les périodes dormantes (c.-à-d. sans agitation active) en raison du gradient axial initial de l'écoulement tourbillonnaire.

Cependant, ces méthodes d'agitation n'ont pas entraîné une amélioration considérable de la performance de la F-EMS. Les raisons en peuvent être trouvées dans l'étude récente de S Eckert et collaborateurs qui ont montré que l'occurrence de forts écoulements recirculatoires est contingente à la fourniture d'une gamme étroite de paramètres d'agitation et de coulée. La non-conformité avec ces dispositions peut avoir un impact négatif sur la performance de l'agitation et même la rendre inutile ou nuisible. Il y a eu plusieurs tentatives récentes pour intensifier la turbulence et le mélange dans le volume de la fusion en solidification en utilisant des courants électriques modulés pour alimenter les bobines d'agitation. L'objectif est de produire un champ électromagnétique modulé qui consiste à la fois en une composante moyennée dans le temps et une composante variable dans le temps. Ces développements récents ont été de nature théorique et à l'échelle du laboratoire et aucun n'a été mis en œuvre dans la pratique de production. Des champs magnétiques en contre-rotation ont également été testés pour agiter un alliage d'aluminium en solidification dans des expériences de laboratoire menées par Vives. Des améliorations considérables de la structure de solidification ont été réalisées en utilisant cette méthode d'agitation.

Avantages de l'EMS

Les avantages de l'EMS dans le produit final dépendent de l'application et quelques exemples sont : (i) meilleure travaillabilité à chaud, lors de l'extrusion et du forgeage des barres, la fréquence des défaillances internes est plus faible ; (ii) capacité de cisaillement améliorée en évitant la structure qui cause des fissures ; (iii) trempabilité améliorée en raison de l'homogénéité améliorée ; (iv) performances de filage de fil machine améliorées avec une faible fréquence de ruptures en cône et coupelle ; et (v) propriétés de fatigue plus élevées et plus cohérentes des barres.