Rôle des grains équiaxes dendritiques dans la formation de macroségrégation : modélisation numérique des benchmarks laboratoires et solidification de lingot industriel
Institution:
Université Grenoble AlpesDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
This thesis concerns the solidification of alloys and more particularly the modeling of macrosegregation in metallurgical ingots due to the growth of equiaxed grains in motion within the liquid phase. The development of a numerical model based on volume average method is presented, followed by tests on benchmark experiments and by an application to the casting of an industrial ingot.First, a modernized three-phase multiscale equiaxed solidification model has been developed, in which a new expression of the diffusion length required in the equation of grain growth has been introduced. The drastic effect of the diffusion length model has been demonstrated through simulations for solidification of Sn-5wt% Pb alloy in a brick-shaped cavity that mimics the Hebditch-Hunt experiment. Then, the reliability of that new equiaxed solidification model has been tested using a numerical simulation of the AFRODITE benchmark experiment on solidification of Sn-10wt% Pb alloy with electromagnetic stirring. The predicted distributions of temperature during the solidification and of the final macro-segregation agreed well with experimental results. The effect the intensity of the Lorentz force used for stirring on final macrosegregation pattern has been analyzed numerically. Finally, the equiaxed solidification model developed in this work has been used to study the formation of macrosegregation in a 2.45 ton industrial steel ingot. The formation mechanism of macrosegregation in the ingot has been analyzed and the effect of cooling intensity has been studied. In addition, the effect of electromagnetic stirring on solidification process and macrosegregation formation in the ingot has been investigated through a series of simulations.
Abstract FR:
Cette thèse concerne la solidification d'alliages et plus particulièrement la modélisation de la macroségrégation des lingots métallurgiques sous l'effet de la croissance de grains équiaxes en mouvement au sein de la phase liquide. Le développement d'un modèle numérique basé sur des moyennes de volume y est présenté, suivi par des tests sur des expériences modèles et par une application à la coulée d'un lingot industriel.Un modèle modernisé de solidification équiaxe à trois phases a été développé, avec une nouvelle expression de la longueur de diffusion requise dans l'équation de croissance des grains. L'effet drastique du modèle de longueur de diffusion a été démontré par des simulations de solidification d’alliage Sn-5 pds% Pb dans une cavité parallélépipédique, similaire à l'expérience de Hebditch-Hunt. La fiabilité de ce nouveau modèle de solidification équiaxe a été testée à l'aide d'une simulation numérique du benchmark AFRODITE de solidification de l'alliage Sn-10 pds% Pb avec brassage électromagnétique. Les distributions calculées de température au cours de la solidification et de la macro-ségrégation finale sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. L'effet de l'intensité de la force de Lorentz utilisée pour le brassage sur la macro-ségrégation finale a été analysé numériquement. Enfin, le modèle de solidification équiaxe développé dans cette thèse a été utilisé pour étudier la formation de la macro-ségrégation dans un lingot d'acier de 2,45 tonnes. Le mécanisme de formation de la macro-ségrégation dans le lingot a été analysé et l'effet de l'intensité du refroidissement a été étudié. De plus, l'effet du brassage électromagnétique sur le processus de solidification et sur la formation de macro-ségrégation dans le lingot a été étudié par une série de simulations numériques.