Cette recherche examine l'impact des caractéristiques de la masselotte (hot top) sur les défauts à l'échelle macroscopique, en se concentrant spécifiquement sur la sévérité et la formation de la macroségrégation dans un lingot de 12 tonnes d'acier à haute résistance et à moyen carbone. La macroségrégation pose des défis importants en raison de sa résistance à l'élimination lors des étapes de traitement ultérieures, entraînant des non-homogénéités et le rejet potentiel du produit, en particulier dans le cas des grands lingots. Les mesures critiques impliquent l'identification et le contrôle des sources de macroségrégation telles que les compositions d'alliage, les paramètres de coulée, la technique et la configuration de l'installation du lingot de coulée.
La masselotte, située dans la partie supérieure du moule, comprend des panneaux réfractaires (sideboard) sur les parois latérales et un composé ou un panneau de recouvrement au sommet du lingot, jouant un rôle crucial dans la configuration de l'installation du lingot de coulée. Ses fonctions incluent la facilitation de l'alimentation continue pendant la coulée, la régulation du flux thermique au sommet du lingot pendant la solidification, et la fourniture d'une région pour l'accumulation des ségrégats et des inclusions non métalliques. Traditionnellement, la masselotte est coupée pour aplatir la surface supérieure du lingot et éliminer les impuretés. Ce processus consiste à découper l'excédent de matériau de la masselotte pour obtenir une surface lisse et propre sur le lingot, éliminant ainsi la ségrégation et les impuretés de la partie supérieure du lingot.
Afin de mieux comprendre l'impact de la géométrie de la masselotte sur l'étendue et la sévérité de la macroségrégation, le processus de coulée et de solidification a été simulé et validé expérimentalement. Le code commercial de modélisation par éléments finis (MEF) tridimensionnel THERCAST® a été utilisé pour les simulations. Tous les phénomènes thermomécaniques associés au remplissage du moule, au refroidissement à l'intérieur et à l'extérieur du moule, et à la solidification basée sur un modèle volumique moyen à deux phases ont été simulés dans la présente étude.
Le modèle a pris en compte les interactions entre le transport du soluté et de la chaleur, couplées à des flux induits par la convection thermo-solutale et la contraction de solidification. Les conditions aux limites de la modélisation ont été établies en fonction des pratiques industrielles, intégrant des considérations telles que la friction locale, l'échange thermique entre l'acier et les composants du moule, et les échanges mutuels entre les composants du moule au sein du système de coulée. Les paramètres dépendant de la température de tous les matériaux pertinents ont été déterminés par des approches combinées impliquant des programmes de thermodynamique computationnelle, le logiciel de matériaux JMatPro® version 11.0, des rapports de la littérature, la base de données de matériaux du logiciel THERCAST®, des sources industrielles et des calculs théoriques.
La configuration de coulée pour un lingot de 12 MT, y compris la configuration industrielle originale de la masselotte, a été simulée, et la validité du logiciel et du modèle a été confirmée par un travail expérimental complet sur des lingots de taille industrielle réelle. La planification expérimentale a été minutieusement conçue en fonction des résultats clés de prédiction et des paramètres de coulée. Pour ce faire, un ensemble complet de tests a été réalisé. Des mesures de composition chimique ont été effectuées sur l'ensemble de la demi-section longitudinale du lingot afin d'évaluer le taux de ségrégation de tous les éléments. Une macro-attaque a été appliquée à l'autre demi-section longitudinale pour révéler le motif de macroségrégation, tandis qu'une inspection par ressuage (DPI : Dye Penetrant Inspection) a été réalisée sur la moitié de la section longitudinale pour détecter la microporosité. De plus, la surveillance de la température de la surface du moule et les mesures de la cavité de retrait ont été stratégiquement effectuées.
L'enquête sur la configuration de la masselotte a couvert divers aspects, y compris la géométrie, les conditions thermiques et leurs combinaisons, en utilisant le modèle validé pour une analyse approfondie. L'étude s'est concentrée sur plusieurs variables au sein de la configuration de la masselotte, notamment la hauteur de la masselotte, la hauteur des panneaux latéraux, la conductivité thermique des panneaux latéraux et le préchauffage de la masselotte, à travers huit scénarios différents de configuration de la masselotte. Ces variables ont modifié des facteurs tels que le ratio de masse du moule, le ratio de finesse du moule et le régime thermique de la masselotte, influençant ainsi les cinétiques de solidification.
Les modifications apportées à la configuration de la masselotte ont exercé une influence significative sur divers aspects du processus de coulée, y compris le champ de vitesse du métal liquide, la taille et la forme des vortex, le taux de refroidissement, la température liquidus, la distribution de la température, le flux de chaleur, le temps de solidification, la position de la transition de colonnaire à équiaxe, et le profil de solidification. Ces facteurs ont collectivement impacté la sévérité de la macroségrégation à la fois dans la masselotte et dans le corps du lingot. De plus, la microporosité et la cavité de retrait, deux autres défauts critiques de la coulée, ont été étudiées parallèlement à la macroségrégation afin de proposer un critère de temps de solidification comme guide pour la configuration de la masselotte. Un design modifié a été proposé pour minimiser la macroségrégation, la microporosité et la formation de cavités.
Cette étude fournit des informations approfondies sur les mécanismes sous-jacents responsables de l'apparition de la macroségrégation dans le processus de coulée des lingots. En élucidant l'impact de la masselotte sur les cinétiques de solidification, cette recherche améliore la compréhension de la conception du processus de coulée pour des lingots spécifiques. Ces résultats ont le potentiel d'améliorer la qualité de la production de grands lingots et d'accroître la productivité des aciers à haute valeur ajoutée ou d'autres alliages sujets à la macroségrégation. De plus, l'optimisation de l'utilisation du matériau de la masselotte et la maximisation de l'efficacité des matériaux peuvent être réalisées grâce à la production de masselottes et de corps de lingots de haute qualité.
| Date | 5 sept. 2024 |
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| langue originale | Français |
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| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
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| Superviseur | Mohammad Jahazi (Directeur(-trice)) |
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