Paramétres de la simulation

(1)

The International congress for applied mechanics

La mécanique et les matériaux, moteurs du développement durable

Les 28 29 30 avril 2014, Marrakech – Maroc

Influence de la distance d’immersion de la busette en coulée continue d’acier

lors du refroidissement primaire

M.BOUREBIA¹ M.CHAOUR² S.BOULKROUNE³

S.BOUHOUCHE⁴ L.LAOUAR⁵

1 Centre National de Recherche Scientifique et Technique en Soudage et Contrôle, Unité de Recherche Appliquée en Sidérurgie et Métallurgie URASM-CSC

B.P 196,23000 Annaba, AlgérieEmail : mounirabourbia@gmail.com

B.P 196,23000 Annaba, AlgérieEmail : chaourmed@yahoo.fr

B.P 196,23000 Annaba, AlgérieEmail : sofiane25000dz@yahoo.fr

B.P 196,23000 Annaba, AlgérieEmail : s.bouhouche@csc.dz

5Université Badji Mokhtar BP12 -2300, Laboratoire de Mécanique Industrielle Annaba, Algérie Email : lakla_55@yahoo.fr

Résumé :

Au cours de la coulée continue de brames, l'acier en fusion est coulé à travers une busette d'entrée immergée dans un moule sans fond maintenue à basse température par un système de refroidissement. La peau solidifiée est ensuite retiré en continu à partir du moule à la vitesse de coulée, cette croûte doit être suffisamment épaisse pour contenir le métal liquide et résister à la pression ferrostatique, ce qui va permettre d’éviter le redoutable phénomène de percée . Le paramètre thermique est le facteur dominant qui à l’origine de la survenue de certains phénomènes (fissures, défaut de surface…). Donc la température constitue un élément très important qui doit être soigneusement contrôlée afin d’assurer, la stabilité du refroidissement et de minimiser le risque d’apparition de fissure à chaud. L'objectif de ce travail est d’observer l’effet de la variation de la distance d’immersion de la busette sur le champ de température, le coefficient de frottement et e coefficient de pression au niveau de la paroi de la lingotière. Les courbes obtenues reflètent la variation des paramètres cités au part avant le long de la paroi du moule à différentes vitesses. La simulation numérique a été réalisée par le code Fluent 6.0.

MOTS CLES

Coulée continue, vitesse de coulée, distance d’immersion, refroidissement primaire, champs de température, coefficient de frottement, coefficient de pression.

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1. Introduction

La coulée continue de l'acier est un procédé industriel complexe, faisant intervenir de nombreux facteurs et mécanismes. Les enjeux financiers du marché de l’acier sont colossaux, On comprend donc Qu’une excellente connaissance du procédé figure1 de fabrication de la coulée continue, est indispensable si on veut optimiser son fonctionnement, améliorer la qualité des produits, augmenter la rentabilité du procédé[1]. La tendance des études aujourd'hui est vers une modélisation généralisée du procédé [2].L’acier liquide coulé à travers une busette immergée dans le moule , va se solidifier et une peau solide commence à se former figure 2 c’est le refroidissement primaire [3]. Les parois du moule sont refroidies par de l'eau dont l’objectif est d’extraire la chaleur pour former une peau solide permettant de supporter la préssion férrostatique du liquide afin d’évité le phénomène de percé à la sortie du moule. L'objectif de ce travail est d’observer l’effet de la variation de la distance d’immersion de la busette sur le champ de température, le coefficient de frottement et le coefficient de pression au niveau de la paroi de la lingotière.

2.

Paramétres de la simulation

1. Matériaux

Acier 434 les principales propriétés physique sont indiquées sur le tableau 1 d’aprés [4].

Tableau 1 . Propriétés physiques de l’acier

Propriètés Valeurs

Conductivité thermique (W/m.K ) 26 Masse volumique (ρ)( Kg /m3) 7020 Chaleur spécifique (J/Kg.K ) 680 Température de liquidus( K) 1775 Viscosité dynamique (m²/s) 7,98x10^-7 Température de coulée (K) 1832

Les vitesses utilisées dans la simulation pour les deux géométrie sont : Vc= 0.8m/min, 1.8m/min et 3m/min 2. Geométrie du moule

On a considéré pour cette simulation deux moules de même dimension sauf la distance d’immersion de la busette qui différe d’après [5] .

Dimension des moules : (0.700x0.300)m²

Distance d’immersion : a) busette immergée à 0.250m, b) busette immergée à 0.070m figure 3

Poche d’acier Répartiteur Lingotière Rouleaux de guidage

Acierliquide Acier solide Refroidissement

secondaire

Figure 1. Procédé de coulée continue d’acier

Peau solidifiée

moule Busette

Figure2. Les étapes de formation de la croûte solide de l’acier

(3)

0.07m

0.300m 0.250m

0.700m

a) b)

1. Modèle mathématique

Le modèle mathématique choisi est le modèle turbulent k- [5].en effet la formule mathématique de transfert thermique est basée sur l'équation fondamentale de la conduction de la chaleur. la distribution de la température lors du processus de la coulée est décrite par l’équation de la conduction de chaleur sous sa forme générale exprimée par l'expression (1) [6]:

k(T) :la conductivité thermique (W/m.K)

Cp(T) : la chaleur spécifique (J/kg.K) ρ(T) : la masse volumique (kg/m3) T : la température (K)

q• :le terme source (W/m3) t :le temps (s)

x, y et z : les coordonnées rectangulaires (m)

Le dégagement de la chaleur latente (entre la température du liquidus et celle du solidus) est exprimé par q• [6].

L :la chaleur latente de fusion (J/kg) fs : la faction solidifier

ρ(T)s :la masse volumique du solide (kg/m3) 2. Conditions aux limites

- Au niveau de la paroi du moule est imposé la condition de non glissement pour les composants tangentielles de la vitesse et du flux.

Фs : flux de la chaleur (W/m2)

- Les conditions de flux et des contraintes sont nulles pour la surfaces libre

- l’énergie cinétique turbulente et du taux de dissipation initiaux à l’entrée sont estimées selon les équations 4 [2].

Fig3. Géométrie du moule :a) busette immergée à 250mm, b) busette immergée à 70mm

(1)

(2)

(3)

(4)

- conditions thermiques : la température d’entrée est imposée Tinlet = 1832 k, soit 1559 C°.

- Le flux thermique évacué par les faces du moule, diminue de façon linéaire lorsqu’on passe du niveau ménisque au bas du moule, est exprimé par la relation 5 [4]:

Où h est la position de la tranche d’acier considérée par rapport au niveau du ménisque.

2. Résulats de la simulation et interprétations

Les résultats obtenus concernent la simulation des différents paramétres qui entre en jeux lors du refroidissement primaire (température, préssion, frottement…….) en faisant varié la distance d’immersion de la busete, l’effet de cette derniére est reflété sur les courbes suivantes :

- Effet sur la température

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850

température (k)

Longueur de la paroi(m)

b70 b250

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

1700 1720 1740 1760 1780 1800 1820 1840

Température(K)

Longueur de la paroi (m)

b70 b250

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

1750 1760 1770 1780 1790 1800 1810 1820 1830

Température(K)

Longueur de la paroi (m) b70 b250

On remarque que pour les trois cas de vitesses , la température diminue avec la diminution de la vitesse pour v=0.1m/s T⁰ atteint 1650k pour la busette immergée à 250mm et 1550k pour la busette émmergée à 70mm, on constate aussi une chute brusque de la températureen se raprochant de la la sortie du moule longueur (0- 0,5)m ce qui explique la formation de la peau solidifiée par contre au dessus des ouies la température dans le cas b 250 est inférieur à celle de b70 ceci s’explique par le fait que la surface de circulation de l’acier liquide dans b250 est plus grande que celle dans b70.

- Effet sur le coefficient de frottement

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

coefficient de frottement

Longueur de la paroi (m)

b70 b250

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

coefficient de frottement

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

-1 0 1 2 3 4 5 6 7

Coefficient de frottement

D’après l’allure des courbes (a), (b) et (c) le coefficient de frottement augmente avec l’augmentation de la vitesse pour les deux de moule, mais on voit que pour le cas de la busette immergée à 70mm le coefficient de frottement est nettement supérieur à celui de la busette immergée à 250mm en particulier au dessus des ouies ceci s’explique par la faible surface de circulation de l’acier liquide pour le cas de la busette immergée à 70mm, le distance de glissement de la brame est plus grande.

(1,0-0,7.h)10⁶ (5)

(a)V=0.1m/s (b)V=0.225m/s (c)V=0.375m/s

Figure5. Coefficient de frottement le long de la paroi du moule : (0.1 - 0.225 -0.375)m/s

V=0.1m/s

V=0.225m/s V=0.375m/s

Figure4. Variation de la température le long de la paroi pour les vitesses : (0.1 - 0.225-0.375)m/s

Sens d’écoulement de l’acier

(5)

- Effet sur le coefficient de pression

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

-30 -20 -10 0 10 20 30

coefficient de pression

b70 b250

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

-150 -100 -50 0 50 100 150

Coefficient de pression

b70 b250

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400

Coefficient de pression

b70 b250

On augmentant les vitesses le coefficient de pression augmente aussi pour les deux cas de moule mais on constate que le coefficient de pression pour le cas de busette immergée à 70mm est légérement supérieur à celui de la busette immergée à 250mm, ce phénoméne s’explique par le fait que lorsque l’acier est propulsé par les ouies de la busette hurte les parois du moule avec une grande pression la surface de circulation de l’acier dans le cas de busette immergée 70 est plus petite que celle de 250mm.

- Effet sur les paramétres du modèle K-

ε

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

-0,00005 0,00000 0,00005 0,00010 0,00015 0,00020 0,00025 0,00030 0,00035 0,00040

L'énergie cinétique(m2/s2)

b70 b250

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020

b70 b250

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006

b70 b250

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

-0,0005 0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040

Taux de dissipation(m2/s3)

b70 b250

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Taux de dissipation(m2/s3)

b70 b250

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Taux de dissipation (m2/s3)

b70 b250

Pour illustrer le modèle de turbulance K-

ε

les figures 7-8 représentent l’effet de la vatiation de la distance d’immerssion sur l’énergie cinétique et le taux de dissipation au niveau de la paroi du moule.

V=0.1m/s V=0.225m/s V=0.375m/s

Figure6. Coefficient de pression le long de la paroi du moule : (0.1 - 0.225 -0.375)m/s

V=0.1m/s V=0.225m/s V=0.375m/s

Figure7. L’énergie cinétique au niveau de la paroi du moule : (0.1 - 0.225 -0.375)m/s

Figure8. Taux de dissipation au niveau de la paroi du moule : (0.1 - 0.225 -0.375)m/s

(6)

3. Conclusion

Le procédé de coulée continue d’acier est très difficile à gérer par le fait que beaucoup de phénomènes s’interagissent en même temps, lorsqu’on arrive à maitriser les paramètres qui le gouvernent alors on pourra améliorer la productivité et la qualité du produit. Par ailleurs, le modèle mathématique utilisé (K-

ε)

a prouvé ses résultats à travers les quels on peut conclure que au point de vue du paramètre température le moule dont la busette est immergée à 70mm est apprécié par rapport au moule dont la busette est immergée à 250mm, il permet la formation d’une peau plus épaisse. Par contres si on observe les autres paramètres (coefficient de frottement, coefficient de pression,…..) le modèle de la busette immergée à 250mm est plus commode. En perspectives on essayera de modéliser la distance d’immersion en fonction de certains facteurs important de la la coulée (température, vitesses de coulée, coefficient de pression…….).

4. Bibliographie

[1] Marc HENRI novembre 2009 « Modélisation 3D par éléments finis du refroidissement primaire lors de la coulée continue d’aciers », l’ecole nationale supérieure des mines de paris.

[2] Ahmed.Bellaouar,Omar.Kholai, Fatima. Daoud « Modelisation du Transfert Thermique dans la Zone Secondaire d'une Machine de Coulée Continue Radiale». 13èmes Journées Internationales de Thermique Manuscrit auteur, publié dans "JITH 2007, Albi : France (2007)".

[3] Akni.Ahcéne,Bellaouar.Ahmed,Lachi.Mohammed «Modélisation Numérique du Champ de Température en 2D dans la Zone de Refroidissement Primaire de la Machine de Coulée Continue » Journées d’Etudes Nationales de Mécanique, JENM’2011

Ouargla, Algérie, 07-08 Mars, 2011,

[4] A.Bellaouar, O.Kholai, P.Valentin, “Modélisation numérique processus de refroidissement d'une brame d'acier inoxydable coulen continu” 2005

[5] Technique de l’ingénieur

[6] N. Cheung , C.A. Santos , J.A. Spim b, A. Garcia “Application of a heuristic search technique for the improvement of spray zones cooling conditions in continuously cast steel billets”.2005