Étude des dégagements gazeux survenant pendant la coulée de pièces d’Aluminium

Study of gas emissions occurring during the aluminium casting process

• Auteur / Autrice : Ghassan Jomaa
• Direction : Patrick Goblet, Christophe Coquelet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrologie et hydrogéologie quantitatives
• Date : Soutenance le 01/12/2014
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de géosciences (Fontainebleau, Seine et Marne)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Antonini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Goblet, Christophe Coquelet, Sébastien Laurent-Charvet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Quintard, Michel Sardin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aluminium -- Fonderie

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Moulage

Noyaux en sable

Résines organiques

Décomposition thermique

Dégagements gazeux

Simulation numérique

Casting

Sand core

Organic resins

Thermal decomposition

Gas emissions

Numerical simulation

Résumé

La fabrication de pièces automobiles en aluminium des formes complexes telles que les culasses de moteur par le procédé de fonderie est effectuée par l'insertion de noyaux en sable durci par des résines (liants) organiques dans un moule métallique et la coulée d'un métal en fusion dans ce moule. Sous l'effet de la température élevée du métal, les résines organiques se décomposent et produisent des dégagements gazeux qui altèrent la qualité des pièces à fabriquer. Jusque tout récemment, la maîtrise des dégagements gazeux survenant pendant le procédé du moulage était basée sur des essais expérimentaux. L'objet du présent travail est d'étudier les dégagements gazeux par simulation numérique. Pour ce faire, nous avons proposé plusieurs modèles numériques. Nous avons introduit un modèle cinétique pour la décomposition thermique des résines organiques. Nous avons développé un modèle général d'écoulements multiphasiques en milieux poreux en utilisant la méthode de prise de moyenne volumique. Quatre modèles de dégagements gazeux, représentant l'écoulement et le transport de gaz dans le noyau sous différents scénarios, sont donnés à partir du modèle général. Des modèles sont également développés pour décrire le couplage de transferts thermiques dans le moule et la pièce à fabriquer avec les dégagements gazeux dans le noyau. L'implémentation des différents modèles dans le logiciel libre OpenFOAM a permis d'obtenir un outil de simulation capable de simuler les dégagements gazeux sous différents scénarios et d'étudier l'impact de plusieurs facteurs tels que le type des résines, la forme de noyau, la perméabilité de sable sur l'évolution de la pression du gaz dans le noyau.

The manufacture of automotive aluminum parts with complex shapes such as cylinder heads of the engine by the casting process is carried out by the insertion of cores made with sand hardened using organic resins (binders) in a metal mold and pouring of molten metal in this mold. As a result of the high temperature of poured metal, organic resins undergo thermal decomposition (pyrolysis) and produce gases which impair the quality of the parts to be manufactured. Until recently, the study of gas emissions occurring during the casting process was based on experimental tests. The purpose of this work is to study the gas emissions by numerical simulation. To do this, we proposed several numerical models. We introduced a kinetic model for the thermal decomposition of organic resins. We have developed a general model of multiphase flow in porous media using the method of volume averaging. Four models of gas emissions representing flow and transport of gas in the core under different scenarios are given from the general model. Models are also developed to describe the coupling of the heat transfer in the mold and the casting with gas emissions in the sand core. The implementation of the various models in the free software OpenFOAM provides a simulation tool that allows to simulate gas emissions under different scenarios and to study the impact of several factors such as the type of resins, core shape, the permeability of the sand on the evolution of the pressure of gas in the core.