Modèle numérique du lingot de 40 t

Le modèle du lingot de 40 t a été réalisé par le groupe CM2P (Chunping et al., 2017). Dans cette partie il sera montré quelles hypothèses il a été fait au niveau des différentes composantes, que cela soit au niveau des propriétés matériaux ou les types d’échanges qui existent entre les différents éléments du modèle. De la même manière que pour le modèle de solidification dirigée, une discussion sur le maillage a été apportée en fonction des différents critères définis par Gouttebroze (Gouttebroze, 2005).

2.5.1 Géométrie et conditions aux limites

La géométrie est une tranche de 7.5° d’un montage d’une lingotière contenant un lingot de 40 t. Celle-ci réunit 8 éléments de matériaux différents qui sont le lingot, le moule du lingot, le moule de la masselotte, 3 réfractaires, la poudre exothermique et le support (Figure 2.22). Les fichiers matériaux, autres que celui du lingot, réunissent des informations principalement thermiques comme la capacité calorifique massique (cp), la conductivité thermique (k) ou l’émissivité (ε). En effet, l’ensemble du moule, des réfractaires et de la poudre exothermique sont considérés comme indéformables. Ces fichiers de propriétés proviennent de la base de données de Thercast® est répondent à des propriétés matériaux obtenues par JMatPro®. Pour l’exemple des moules et du support, les propriétés caractérise le comportement thermique d’une fonte usuelle de coulée.

Ensuite, les échanges entre les pièces sont de deux types : thermiques et tribologiques. De la même manière ces fichiers réunissent des propriétés comme le coefficient de convection thermique (h), l’émissivité (ε) ou la conductivité thermique (k). L’enthalpie de réaction de la poudre exothermique est la seule donnée provenant du constructeur. La loi utilisée pour simuler le frottement est la loi de Coulomb.

Figure 2.22 Géométrie et conditions aux limites du lingot de 40 t

2.5.2 Maillage

La géométrie du lingot de 40 t est beaucoup plus grande que le modèle de solidification directionnelle et comme le temps de calcul dépend du nombre d’éléments, ces derniers ont une taille plus grande (environ 2 cm). La discussion sur le maillage du lingot de 40 t a été réalisée de la même manière que celle en partie 2.4.2 (partie 2.4.2) sur le maillage du modèle de solidification unidirectionnelle.

2.5.2.1 Gradient de fraction liquide

Le gradient de fraction liquide semble correct car les champs de fraction liquide ne présentent pas de discontinuité avec une zone de transition liquide-solide s’agrandissant au fur et à mesure de l’avancement de la solidification. La fraction liquide ne présente pas de besoins importants sur le raffinement du maillage (Figure 2.23).

Poudre exothermique Moule de la masselotte Moule du lingot Lingot Réfractaire Réfractaire Support

Figure 2.23 Champ de fraction liquide à (a) 23 min, (b) 4 h 39 min et (c) 7 h 59 min

2.5.2.2 Gradient de vitesse

Il est assez complexe d’afficher les vitesses sur une échelle proportionnelle car elles varient beaucoup au sein du lingot, c’est pour cela que le champ de vitesses à 4 h 39 min a été tracé avec deux échelles différentes (Figure 2.24). De fortes vitesses sont remarquables sur l’axe de symétrie du lingot, celles-ci sont dues au remplissage par le bas du moule. En effet, cette caractéristique est remarquable en cours de remplissage à 23 min. Le front du métal se remplissant dans le moule est d’ailleurs observable (Figure 2.24). Dans l’ensemble, les gradients sont assez nets mais à haut gradient de vitesse (proche du front de solidification) il serait intéressant de raffiner le maillage comme il est possible de le constater à travers des tâches clairsemées sur le front de solidification à 4 h 39 min (Figure 2.24).

Vitesse du métal (mm.s-1₎

Figure 2.24 Champ de vitesse à (a) 23 min, (b) 4 h 39 min (grandes vitesses), (c) 4 h 39 min (petites vitesses) et (d) 7 h 59 min

2.5.2.3 Gradient du taux de macroségrégation du carbone

Le champ de macroségrégation est typiquement un indicateur qui montre que le maillage choisi n’est pas assez fin pour simuler la macroségrégation (Figure 2.25). Comme le montre Gouttebroze dans sa thèse, les amas hétérogènes proches de la surface sont dus à l’instabilité numérique provenant d’un discrétisation de l’espace trop grossière. Dans le cas présent, la taille de maille choisie est de 2 mm et 1.5 mm proche de l’orifice de remplissage. Gouttebroze simule la solidification d’un lingot de 1 m 70 de hauteur et 0.6 m de diamètre sur un angle de 15°. Cependant, le cas étudié présentement est un lingot de 3 m 30 de hauteur et de 1 m 50 de diamètre sur un angle de 7.5° (Figure 2.25). Le volume étudié est donc 6 fois plus grand que le volume utilisé par Gouttebroze (Gouttebroze et al., 2005). Ce dernier étudie deux cas de maillage avec 100 000 éléments et 300 000 éléments contre 150 000 dans le cas étudié présentement, sachant qu’il utilise son algorithme de maillage adaptatif raffinant sont maillage en fonction des 3 gradients vus dans la partie 2.4.2. Sa taille d’élément est de 200 µm proches des zones critiques (Gouttebroze et al., 2005). La limitation de la puissance des machines (cinq

(a) (b) (c) (d)

jours de calcul) et la non-possibilité de réaliser un maillage adaptatif au cours du temps, contraint à garder ce maillage. Cependant, il est possible que les tendances observées soient proches de l’expérimental, ce qui sera discuté dans la partie des résultats par la suite (partie 3.6.2).

Figure 2.25 Champ du taux de macroségrégation du carbone à (a) 23 min, (b) 4 h 39 min et (c) 7 h 59 min

2.5.3 Adaptation des paramètres par rapport à la vitesse de refroidissement

Une démarche similaire à celle utilisée pour le modèle de solidification unidirectionnelle a été mise en place pour étudier l’influence d’adapter les paramètres en fonction de la vitesse de refroidissement locale. Ainsi une discrétisation suivant la direction normale au front de solidification est réalisée afin de connaitre les vitesses de refroidissement moyennes de chaque portion du lingot (Figure 2.26).

(a) (b) (c)

Figure 2.26 Position des capteurs dans le lingot de 40 t