Simulation numérique du procédé de refusion sous laitier électroconducteur

par Valentine Weber

Thèse de doctorat en Science et ingénierie des matériaux

Sous la direction de Alain Jardy et de Denis Ablitzer.

Le président du jury était Pierre Archambault.

Le jury était composé de Alain Jardy, Denis Ablitzer, Pierre Archambault, Yves Fautrelle, Frédéric Gruy, Stéphane Hans.

Les rapporteurs étaient Yves Fautrelle, Frédéric Gruy.


  • Résumé

    Le procédé de refusion sous laitier électroconducteur (Electro Slag Remelting ou ESR) est aujourd’hui largement utilisé pour la production d’alliages métalliques à haute valeur ajoutée, comme les aciers spéciaux ou les superalliages base nickel. La modélisation mathématique et la simulation numérique du procédé ESR présentent un grand intérêt puisque les études expérimentales sur installations industrielles sont coûteuses et souvent difficiles à mettre en oeuvre. Ainsi, afin d’améliorer la compréhension et la maîtrise de la conduite d’une refusion, un modèle prédictif a été développé dans le cadre de cette étude. Il décrit les transferts couplés de chaleur et de quantité de mouvement lors de la croissance et de la solidification d’un lingot, en géométrie axisymétrique. La résolution des équations est basée sur une approche de type volumes finis. Le modèle tient compte de l’effet Joule dans le laitier résistif, des forces électromagnétiques et de la turbulence éventuelle de l’écoulement des phases liquides. La zone pâteuse est traitée comme un milieu poreux. Le modèle permet notamment de prédire la formation de la peau de laitier solide qui entoure le laitier et le lingot. Par ailleurs, il offre l’avantage de simuler le comportement du lingot et du laitier après la coupure finale du courant.Le développement s’est accompagné d’une importante étape de validation. Quatre refusions à l’échelle industrielle ont ainsi été réalisées à l’aciérie des Ancizes (Aubert&Duval). Les observations expérimentales ont ensuite été confrontées aux résultats du calcul. La comparaison a montré que le modèle peut être utilisé afin de prédire le comportement du procédé, à condition d’accorder une attention particulière à l’estimation des propriétés thermophysiques du métal, et surtout du laitier. Enfin, afin d’illustrer l’utilisation du modèle comme support à la compréhension du procédé, nous avons étudié l’influence de la variation de paramètres opératoires tels que la profondeur d’immersion de l’électrode, le taux de remplissage ou la pression de l’eau de refroidissement.

  • Titre traduit

    A comprehensive model of the electroslag remelting process


  • Résumé

    Electro Slag Remelting (ESR) is widely used for the production of high-value-added alloys such as special steels or nickel-based superalloys. Because of high trial costs and complexity of the process, trial-and-error based approaches are not well suitable for fundamental studies and optimization of the process.Consequently, a transient-state numerical model which accounts for electromagnetic phenomena and coupled heat and momentum transfers in an axisymmetrical geometry has been developed. The model simulates the continuous growth of the electroslag remelted ingot through a mesh-splitting method. In addition, solidification of the metal and slag is modelled by an enthalpy-based technique. A turbulence model is implemented to compute the motion of liquid phases (slag and metal), while the mushy zone is described as a porous medium whose permeability varies with the liquid fraction, thus enabling an accurate calculation of solid/liquid interaction. The coupled partial differential equations are solved using a finite-volume technique.Computed results are compared to experimental observation of 4 industrial remelted ingots fully dedicated to the model validation step. Pool depth and shape are particularly investigated in order to validate the model. Comparison shows that the model can be used as a predictive tool to analyse the process behavior. Nevertheless, it is necessary to pay a particular attention to the estimation of the thermophysical properties of metal and especially slag.These results provide valuable information about the process performance and influence of operating parameters. In this way, we present some examples of model use as a support to analyse the influence of operating parameters. We have studied the variation of electrode immersion depth, fill ratio and water pressure in the cooling circuit.


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Informations

  • Détails : 1 vol. (181 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. f. 169-173. Résumé en français et en anglais

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Lorraine. Direction de la documentation et de l'édition. BU Ingénieurs.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2008 WEBER V.
  • Bibliothèque : Université de Lorraine. Direction de la documentation et de l'édition. BU Ingénieurs.
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