Effet du régime thermique de la masselotte sur la macroségrégation

Sommaire

Nous avons étudié les effets de différents modèles de masselotte, de capacités thermiques variées, sur la macroségrégation positive et négative d’un lingot coulé de 12 tonnes métriques en acier à haute résistance. Le code de modélisation tridimensionnelle par éléments finis THERCAST® a servi à simuler les phénomènes thermomécaniques associés au processus de solidification. Nous avons validé le modèle sur un lingot à échelle industrielle, modèle qui nous a ensuite permis d’évaluer l’effet de l’historique thermique de la masselotte, un composant essentiel dans une installation pour lingot coulé. Cette évaluation visait à comprendre les changements de temps de solidification, de température et des flux thermiques, qui influencent tous la gravité de la macroségrégation. Préchauffer la masselotte a eu peu d’effet sur le temps de solidification, mais augmenter la conductivité thermique a prolongé le temps de solidification de 31 %. Cette étape a mené à une réduction importante de la ségrégation positive du carbone à 13 % dans le corps du lingot, et à 23 % dans la masselotte.

Mots clés : masselotte ; modélisation par éléments finis ; coulée en lingots ; macroségrégation ; capacité thermique.

Une masselotte pour atténuer la macroségrégation

La principale méthode de production de grands composants en acier, comme les cylindres de laminoir et les rotors de turbine, est la coulée en lingots suivie du forgeage. Ces aciers contiennent généralement jusqu’à 10 éléments d’alliage pour garantir le niveau souhaité de robustesse mécanique et de résistance à la corrosion. Au cours de la solidification, l’extraction de la chaleur dans le moule, combinée aux vitesses de diffusion différentes des éléments d’alliage, entraîne la macroségrégation, c’est-à-dire la distribution hétérogène des éléments d’alliage sur des distances allant de quelques centimètres à quelques mètres. Ce phénomène affecte négativement les propriétés mécaniques des produits finis et souvent, en particulier dans les lingots de grande taille, ne peut être éliminé même si on prolonge le traitement thermique d’homogénéisation.

La masselotte, figure 1, située au sommet du moule, a un effet important sur le processus de solidification et la sensibilité à la macroségrégation en régulant le flux thermique et en fournissant continuellement du métal liquide pendant que le lingot se solidifie. Fabriquée en fonte et doublée de briques réfractaires, elle comprend des clapets exothermiques qui génèrent de la chaleur au contact du métal en fusion. Par conséquent, il faut gérer l’échange de chaleur et le régime thermique de la masselotte pour réduire les défauts de solidification comme la macroségrégation.

L’objectif de cette étude était de quantifier l’effet du régime thermique de la masselotte sur la gravité de la macroségrégation et la cinétique de solidification d’un lingot de 12 tonnes. Nous avons analysé quatre scénarios de capacité thermique à l’aide d’un modèle d’éléments finis (FEM) validé par le biais d’expériences industrielles.

Matériel et méthodes

Un acier ordinaire faiblement allié en carbone a été coulé dans un moule de 12 tonnes après traitement dans un four à arc électrique, un four à poche et par dégazage sous vide. Une tranche longitudinale de 25,4 mm d’épaisseur prélevée au centre du lingot a servi à produire la cartographie chimique (370 échantillons) et la macro-gravure (10 plaques). Nous avons réalisé l’analyse chimique à l’aide d’un spectromètre d’émission optique et cartographié les schémas de macroségrégation par le biais d’un code MATLAB® évolué.

En outre, nous avons modélisé la macroségrégation au moyen du code d’éléments finis THERCAST®, avec simulation 3D du processus de solidification, tenant compte de l’écoulement des fluides, de la température et de la distribution des solutés. Une formulation arbitraire lagrangienne eulérienne (ALE), basée sur un modèle biphasique de volume moyen, a permis de décrire les phénomènes thermomécaniques pendant le remplissage et le refroidissement du moule. Nous avons analysé le transfert thermique pour différents sous-domaines (moule, masselotte, lingot) sous conditions limites comme la convection, le rayonnement et le flux thermique imposé. Une équation de type Fourier a servi à évaluer la résistance de contact aux interfaces métal-moule. Le modèle a été validé par rapport aux données expérimentales. Les figures 2a et b illustrent la préparation de l’échantillon et un modèle 180° du lingot de 12 tonnes.

Modèles de masselotte

Nous avons comparé quatre nouveaux modèles de masselotte (nouveaux designs, ND1 à ND4) au modèle original (OD). Ce dernier comprend une paroi latérale réfractaire avec conductivité thermique de 1,23 W/m/K. Le modèle ND1 prévoit le préchauffage de la masselotte à 200 °C; le modèle ND2 diminue la conductivité thermique de la paroi latérale à 0,45 W/m/K, et les modèles ND3 et ND4 ajoutent une couche réfractaire supplémentaire de 177 mm. Dans l’option ND4, la conductivité thermique réfractaire du haut diminue à 0,45 W/m/K. La figure 3 illustre ces modèles.

Cinétique de solidification et macroségrégation

Il faut comprendre comment les changements de configuration des masselottes affectent les temps de solidification. Le temps de solidification totale est le temps nécessaire au refroidissement du métal, depuis sa température initiale jusqu’à la température de solidus, c’est-à-dire la température à laquelle tout le métal s’est solidifié. Le temps de solidification locale correspond à la période entre les températures de liquidus et de solidus, c’est-à-dire le temps passé en zone pâteuse. La figure 4 montre que les variations du régime thermique de la masselotte influent grandement sur les temps de solidification totale et locale, comme le révèlent les résultats de la simulation

La figure 5 montre le taux de ségrégation du carbone pour tous les modèles, classé par temps croissant de solidification totale. Le taux de ségrégation maximal diminue dans les zones du bas, du milieu, du haut, de la masselotte et de la ligne centrale en fonction du régime thermique de la masselotte. Cette réduction est probablement due à des températures locales plus élevées, entraînant des temps de solidification et de diffusion plus longs pour les éléments solutés dans les nouveaux modèles (ND) par rapport au modèle original (OD).

Cette étude nous a permis de constater qu’en changeant le régime thermique de la masselotte, il était possible de modifier la cinétique de solidification (entre 2 % et 31 % d’augmentation du temps de solidification). Elle nous a également permis de réduire la macroségrégation positive du carbone de 13 % dans le corps et de 23 % dans la zone de la masselotte. Des temps de solidification plus longs ont amélioré la diffusion des solutés, réduisant la macroségrégation du carbone, l’élément de ségrégation le plus important relativement aux propriétés mécaniques du lingot coulé.

Informations complémentaires

Pour plus d’informations sur cette recherche, veuillez lire les articles suivants :

Ghodrati, N.; Champliaud, H.; Morin, J.-B.; Jahazi, M. Influence of the Hot-Top Thermal Regime on the Severity and Extent of Macrosegregation in Large-Size Steel Ingots. J. Manuf. Mater. Process. 2024, 8, 74. https://doi.org/10.3390/jmmp8020074

Ghodrati, N.; Baiteche, M.; Loucif, A.; Gallego, P.I.; Jean-Benoit, M. ; Jahazi, M. Influence of Hot Top Height on Macrosegregation and Material Yield in a Large-Size Cast Steel Ingot Using Modeling and Experimental Validation. Metals 2022, 12, 1906.

https://doi.org/10.3390/met12111906

Ghodrati, N., et al. (2023). Influence of Hot Top Geometry on the Solidification Time and Macrosegregation in Large-Size Cast Ingot Using Finite Element Modeling. the 62nd Conference of Metallurgists, COM 2023, Toronto, Ontario, Canada, Springer, Cham, p. 477-480. https://doi.org/10.1007/978-3-031-38141-6_65. ,

Ghodrati, N., et al. (2022). Modeling of the influence of hot top design on microporosity and shrinkage cavity in large-size cast steel ingots. 8th International Congress on the Science and Technology of Steelmaking, Montreal, QC, Canada, p. 239-244.