Étude expérimentale de la mise en place des structures de solidification dans les lingots d'acier

par Marvin Gennesson

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux. Science et ingénierie des matériaux et métallurgie

Sous la direction de Hervé Combeau et de Dominique Daloz.

Le président du jury était Charles-André Gandin.

Le jury était composé de Jacques Lacaze, Henri Nguyen Thi, Joëlle Demurger, Marie Bedel, Julien Zollinger.

Les rapporteurs étaient Jacques Lacaze, Henri Nguyen Thi.


  • Résumé

    L’amélioration de la solidification de lingots d’acier industriels de plusieurs tonnes demeure un défi scientifique. Lors de cette étape cruciale, des hétérogénéités chimiques – à l’échelle du mètre – peuvent se développer. Le mouvement des grains solides qui se forment et se déplacent dans le bain liquide est un des leviers d’action sur la macroségrégation. L’inoculation permet d’agir sur le nombre, la taille et la morphologie de ces grains via des ajouts dans le métal liquide. Dans ce travail, les nuances 42CrMo4 et 34Cr4 ont été inoculées pour plusieurs formats de lingots. Des techniques de caractérisation (2D et 3D) ont été développées pour la comparaison des structures de solidification dendritiques avant et après inoculation. Une première série de lingotins (50 g) a montré l’effet affinant de poudres à bonne cohérence cristallographique avec la ferrite et l’effet grossissant d’un ferroalliage de cérium. Après une étude à plus grande échelle (8 kg) pour les meilleurs candidats (poudres de TiN, CeO2, Si3N4 et ferroalliage de cérium), un ajout de cérium a été fait dans un lingot industriel de 6,2 t. Le cérium, responsable de la croissance des grains équiaxes pour l’ensemble des lingots caractérisés. Il agit probablement sur les tensions interfaciales solide/liquide et moule/liquide tout en remplaçant les sites de germination nativement présents dans le métal liquide par des inclusions au cérium qui ne servent pas de sites de germination

  • Titre traduit

    Experimental study of the production of solidification structures in steel ingots


  • Résumé

    Improving the solidification of large industrial steel ingots remains a scientific challenge. During casting chemical heterogeneities (macrosegregation), sometimes in the scale of meters, can arise. Solid grain motion is one phenomena responsible for macrosegregation. Inoculation allows the number, size and morphology of these grains to be modified through additions to the liquid metal. In this work 42CrMo4 and 34Cr4 grade steel ingots of several sizes were modified with potential inoculants. Characterization techniques (2D and 3D) were developed to compare dendritic solidification structures before and after inoculation. The first series of small ingots (50 g) showed grain refinement for powder additions with a low lattice misfit between the inoculant and solidifying melt, and a coarsening effect when ferrocerium was added. The best inoculant candidates (TiN, CeO2, Si3N4 powders and cerium ferroalloy) were tested in medium sized ingots, after which the cerium addition was tested with a 6,2 t industrial ingot. Cerium is responsible for coarsening the grain size in all sizes of cast ingots investigated. This is likely due to a modification of the solid/liquid and liquid/mold interfacial energy along with the replacement of existing sites with cerium inclusions which are not active during nucleation


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