Simulation numérique et validation expérimentale des effets des caractéristiques de la masselotte (Hot Top) sur la macroségrégation dans les lingots de grande taille en acier à haute résistance

Ghodrati, Neda (2024). Simulation numérique et validation expérimentale des effets des caractéristiques de la masselotte (Hot Top) sur la macroségrégation dans les lingots de grande taille en acier à haute résistance. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

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.

Titre traduit

Numerical simulation and experimental validation of the effects of hot top characteristics on macrosegregation in large-size ingots of high-strength steel

Résumé traduit

This research investigates the impact of hot top characteristics on macroscale defects, specifically focusing on the severity and formation of macrosegregation in a 12MT mediumcarbon high-strength steel ingot. Macrosegregation poses significant challenges due to its resistance to elimination in subsequent processing stages, leading to non-homogeneities and potential product rejection, particularly in the case of large ingots. Critical measures involve the identification and control of macrosegregation sources such as alloy compositions, casting parameters, technique, and cast ingot setup configuration.

The hot top, situated at the upper part of the mold, comprises refractory sideboards on the sidewalls and a topping compound or board at the ingot's apex, playing a pivotal role within the cast ingot setup. Its functions include facilitating continuous feeding during casting, regulating heat flow at the ingot's apex during solidification, and providing a region for segregates and non-metallic inclusions to accumulate. Traditionally, hot top is cut to flatten the ingot's top surface and remove impurities. This process involves trimming off excess material from the hot top to achieve a smooth, clean surface on the ingot, thereby removing segregation and impurities from the top of the ingot.

In order to better understand the impact of hot top geometry on the extent and severity of macrosegregation, the casting and solidification process was simulated and experimentally validated. The commercial three-dimensional finite element modeling (FEM) code THERCAST® was used for the simulations. All the thermo-mechanical phenomena associated with mold filling, cooling in and out of the mold, and solidification based on a volume average two-phase model were simulated in the present study.

The model accounted for interactions between solute and heat transport coupled with flow driven by thermo-solutal convection and shrinkage-induced flow. Modeling boundary conditions were established based on industrial practices, incorporating considerations such as local friction, thermal exchange between steel and mold components, and mutual exchange among mold components within the casting system. Temperature-dependent parameters of all relevant materials were determined through combined approaches involving computational thermodynamics programs, materials software JMatPro® version 11.0, literature reports, THERCAST® software material database, industry sources, and theoretical calculations.

The casting setup for a 12 MT ingot, including the original industrial hot top configuration, underwent simulation, and the software and model's validity were confirmed through comprehensive experimental work on real industrial-size ingots. Experimental planning was meticulously devised based on key prediction results and casting parameters. To achieve this, a comprehensive set of tests was conducted. Chemical composition measurements were performed on the entire half-longitudinal section of the ingot to assess the segregation ratio of all elements. Macro etching was applied to the other half longitudinal section to reveal the macrosegregation pattern, while Dye Penetrant Inspection (DPI) was conducted on the half of the longitudinal section to detect microporosity. Additionally, monitoring of mold surface temperature and shrinkage cavity measurements were strategically carried out.

The investigation into the hot top configuration encompassed various aspects, including geometry, thermal conditions, and their combinations, utilizing the validated model for thorough analysis. The investigation focused on several variables within the hot top configuration, including hot top height, sideboard height, sideboard thermal conductivity, and preheating of the hot top, across eight various scenarios of the hot top configuration. These variables altered factors such as the mold mass ratio, mold slender ratio, and the thermal regime of the hot top, consequently affecting solidification kinetics.

Changes in the hot top configuration exerted significant influence on various aspects of the casting process, including the liquid metal velocity field, size, and shape of vortexes, cooling rate, liquidus temperature, temperature distribution, heat flux, solidification time, columnar to equiaxed transition position, and solidification profile. These factors collectively impacted the severity of macrosegregation within both the hot top and the ingot body. Additionally, microporosity and shrinkage cavity, two other critical casting defects, were investigated alongside macrosegregation to propose a solidification time criterion as a guideline for hot top configuration. A modified design was proposed to minimize macrosegregation, microporosity, and cavity formation.

This study provides deep insights into the underlying mechanisms responsible for macrosegregation occurrence in the ingot casting process. By elucidating the impact of the hot top on solidification kinetics, this research enhances understanding of the casting process design for specific ingots. These findings hold the potential for improving the quality of large ingot production and enhancing the productivity of high-value-added steels or other alloys prone to macrosegregation. Moreover, optimizing the use of hot top material and maximizing material efficiency can be achieved through the production of high-quality hot tops and ingot bodies.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en philosophie". Comprend des références bibliographiques (pages 274-290).
Mots-clés libres:	macroségrégation, masselotte, solidification, lingot d'acier de grande taille, expérience, simulation, efficacité des matériaux
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Jahazi, Mohammad
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	03 mars 2025 14:43
Dernière modification:	03 mars 2025 14:43
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3543

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