Ce projet vise à développer un modèle numérique fiable qui peut prédire la sévérité et l'étendue de la macroségrégation dans un lingot de 40 tonnes métriques d’acier au carbone faiblement allié à haute résistance mécanique, ainsi que leurs changements en fonction des paramètres du processus de coulée, en vue de minimiser ce défaut important.
Pour atteindre cet objective, le code commercial d'éléments finis, Thercast®, était d'abord choisi pour le déroulement des simulations. Cette décision a été prise sur la base d'un examen critique de la littérature concernant les techniques de modélisation qui sont apparues ces soixante dernières années, sur la puissante capacité de ce logiciel, et aussi sur son fonctionnement de modélisations tridimensionnelles du remplissage et de la solidification à l'aide d’un modèle biphasé solide-liquide.
Dans un premier temps, les éléments susceptibles d’introduire l'incertitude ont été éliminés du modèle. Par exemple, un modèle 3-D axisymétrique un 24ème de la totalité du système du moulage a été considéré suffisamment représentatif pour l’exécution des simulations dans ce projet. Une taille moyenne de cellules de 35 mm a été définie pour la discrétisation du modèle, sur la base de la détermination des conditions d’équilibre entre précision et temps de calcul et aux études de sensibilité préliminaire. Les conditions limites du modèle ont été mises en place par les pratiques industrielles, qui ont pris en compte non seulement les conditions locales et les échanges thermiques entre l’acier et les composants du moule, mais aussi les échanges mutuels entre eux.
Les paramètres dépendants de la température des matériaux concernés, reflétant les comportements thermodynamiques, thermomécaniques et thermodiffusion, ont été déterminés par voie du logiciel Thermo-Calc®, de la littérature, des équations empiriques, de la base de données du logiciel Thercast®, de l’industrie, des calculs théoriques, ainsi que des essais de traction réalisés en laboratoire à différente température. L’applicabilité des logiciels et des équations a été vérifiée auparavant. La planification expérimentale a été basée sur des essais de simulation.
La loi de mélange s’est avérée une bonne approximation pour représenter la microségrégation et décrire le comportement physique du lingot de l’acier, après les examens comparatifs sur différents schémas de microségrégation. Le modèle thermomécanique a été pris comme formulation de base pour les études paramétriques subséquents en termes de l’influence du retrait thermomécanique et des aspects expérimentaux.
Par la suite, le comportement de solidification à a variation des paramètres du processus de moulage, tel que la vitesse de remplissage, la température surchauffe de fusion et la température de départ du moule, à l'aide du modèle fiable qui a été établi. Les trois paramètres faisaient l'objet d’étude du fait de la manque de données pertinentes dans la littérature. Les variables étudiées concernaient les vitesses de remplissage de 0.084, 0.107, 0.145 m/min (avec une durée de remplissage de 38, 30, 22 min), les températures surchauffes de fusion de 75, 65, 55 °C et les températures de départ du moule de 50, 120, 250 °C. Ces paramètres de coulée formaient les conditions les plus fréquentes dans l'industrie pendant la coulée des lingots de grande taille.
Les résultats de cette étude ont permis de démontrer qu’une réduction du temps de remplissage, une surchauffe plus basse et un moule initialement plus froid peuvent contribuer à la diminution de l'intensité de macroségrégation, dans la portion supérieure du lingot, le long de l'axe de la pièce et dans la région centre/périphérie enrichie du soluté. Ces effets ont été associés aux courants du liquide, induits par l'opération de coulage, par la convection, par la déformation thermomécanique des phases, et par la variation du gradient de température et des vitesses de solidification. Les prévisions de tous les cas étudiés ont été validées par des données de laboratoire, telles que les structures macro et microscopiques, la distribution des concentrations de solutés, les modifications dimensionnelles du casting et les variations de la température sur la face extérieure du moule.
Les résultats recueillis favoriseront une meilleure compréhension des mécanismes sousjacents à l’origine de la formation de macroségrégation dans le processus de la coulée. Ils pourraient être utiles pour la conception du processus de coulée d’un lingot donné. Ils peuvent servir à l'industrie pour améliorer la qualité du lingot de grande taille et la productivité des aciers à grande valeur ajoutée, qui sont susceptibles de macroségrégation.
| Date | 21 févr. 2020 |
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| langue originale | Anglais américain |
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| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
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| Superviseur | Mohammad Jahazi (Directeur(-trice)) |
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