Influence of casting process parameters on macrosegregation in large size steel ingots using experimentation and simulation

Zhang, Chunping (2020). Influence of casting process parameters on macrosegregation in large size steel ingots using experimentation and simulation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The present project aims to develop a reliable numerical model to predict the extent and severity of macrosegregation in a 40MT (metric ton) medium-carbon high strength steel ingot as a function of casting parameters with the view to minimize the occurrence of the macro-scale defect. For this purpose, the commercial finite element modeling (FEM) code Thercast® was at first determined to be used for the simulation work. This basis of such a decision rested on the critical literature review on the evolution of solidification modeling technique in the past 60 years, the powerful computing capability of the software and its performance of the three-dimensional simulations of mold filling and solidification based on a volume-averaged solid-liquid two-phase model.

The factors influencing model accuracies were eliminated one by one. For instance, an axisymmetric model in the dimension of 1/24 of the actual casting system was determined to be representative enough for the necessary simulation work. An average general cell size of 35 mm was identified to be the discretization parameter for its realization of the compromise between computational accuracy and efficiency based on series of sensitivity studies of solidification to mesh size. Modeling boundary conditions were set based on industrial practice, which took into account the local friction and the thermal exchange between the steel and the mold components, as well as the mutual exchange between mold components themselves in the casting system. Input temperature-dependent parameters of all concerned materials, reflecting their thermodynamic, thermomechanic and thermodiffusion behaviors, were identified by means of combined approaches of computational thermodynamics program Thermo-Calc® software, literature reports, published empirical equations, Thercast® software material database, industry sources, theoretic calculations, as well as room and high temperature tension tests in laboratory. The applicability of the used softwares and models was verified before applying them to the investigated steel. The experimental planning was strictly formulated based on simulation tests. Lever rule microsegregation model was ascertained to be the most reasonable depiction of the physical behavior of the steel in study in large-size cast ingot. This selection was made after comparative examinations of various microsegregation schemes against experimental measurements, together with subsequent adoption to the regions formed in different stages of the solidification process. A thermomechanical model was finally deemed as the baseline formulation for all the parametric studies in terms of the impact study of thermomechanical shrinkage on macrosegregation and its reproductions of experimental findings.

The dependence of the solidification behavior on the variations of filling rate, melt superheat and initial mold temperature was then investigated, respectively, using the established reliable model. The three casting control parameters were selected due to the shortness or confliction of relevant data in the literature, as well as the complication, high-cost or impossibility of the employment of other macrosegregation control techniques. The studied casting variables included the filling rates of 0.084, 0.107 and 0.145 m/min (with filling times of 38, 30 and 22 min), the initial melt superheats of 75, 65 and 55 °C, the initial mold temperatures of 50, 120 and 250 °C. These casting parameters represented the conditions the most commonly encountered in industry during casting of large size ingot. The results indicated that a quicker filling operation, a lower melt superheat and a colder mold condition tended to decrease the macrosegregation intensity in the upper section of the casting, along the centerline, and in the mid-radius solute-enriched bands. The alleviation effect was associated with the changes in flows induced by pouring jet, thermosolutal convection, thermomechanical deformation of the phases, along with the variations of the temperature gradient in the casting and the solidification speed. The predictions of the studied cases were verified with experimental characterizations on the macro-/micro-structures, solutal distributions, dimensional change of the casting and the temperature variations on mold outside surface.

The findings in the dissertation allow for a better understanding of the underlying mechanisms responsible for the occurrence of macrosegregation in ingot casting process. They should also be helpful for the casting process design of a given ingot and could be used in industry to improve the quality of large size ingot production and the productivity of high value-added steels or other alloys which are prone to macrosegregation.

Titre traduit

Influence des paramètres du processus de coulée sur macroségrégation dans les grands lingots d’acier au moyen d’expérimentation et modélisation

Résumé traduit

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.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 237-253).
Mots-clés libres:	macroségrégation, grands lingots d’acier, expérimentation, modélisation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Jahazi, Mohammad
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	29 juin 2020 20:40
Dernière modification:	23 nov. 2020 20:37
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2490

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