Quelle est l'efficacité du processus de réduction à la fin de solidification et son impact sur la qualité du produit coulé ?

Le processus de réduction à la fin de solidification, connu sous le nom de "soft reduction", est essentiel pour améliorer la qualité interne du lingot en coulée continue. Cette technique consiste à appliquer une déformation contrôlée sur la surface de la brame ou du lingot à la fin du processus de solidification, lorsque la partie liquide est encore présente à l'intérieur du lingot. L'objectif principal de cette réduction est de réduire les défauts internes, tels que la ségrégation et la porosité, qui peuvent affecter la solidité et l'homogénéité du produit final. Au cours des années 1980, des chercheurs japonais, tels que Hayashida et al., ont proposé que l'efficacité de cette réduction puisse être mesurée par le rapport entre le déplacement de l'interface solide-liquide et le déplacement de la surface du lingot pendant la réduction douce. Cette approche a ouvert la voie à des modèles de calcul de l'efficacité de la réduction qui tiennent compte de diverses variables telles que la vitesse de coulée et la géométrie du lingot.

Les travaux de Ito et al. ont permis de préciser cette efficacité de réduction en prenant en compte la déformation de la couche liquide dans le noyau du lingot. Selon leur modèle, l'efficacité est directement liée à la manière dont cette déformation à la surface du lingot se transmet à la couche solide en formation. Ils ont utilisé une méthode d'éléments finis tridimensionnels pour évaluer l'influence de facteurs comme le diamètre des rouleaux et les dimensions du lingot sur l'efficacité de réduction. Leurs résultats ont permis de dériver une équation empirique qui permet de calculer cette efficacité en fonction de la forme du lingot et du diamètre des rouleaux. Cependant, ces modèles se limitaient à la prise en compte de la réduction dans la direction de l'épaisseur du lingot.

Pour affiner cette approche, le Dr Qiyong Lin et son équipe ont proposé une méthode plus avancée pour représenter l'efficacité de la réduction. Ce modèle prend en compte non seulement la déformation de la surface du lingot, mais aussi la manière dont cette déformation affecte la zone de solidification, et ce, en présence du noyau liquide. Ainsi, l'efficacité de la réduction est maintenant mesurée par la quantité de déformation transmise entre la surface du lingot et la ligne de solidification, ce qui reflète plus précisément l'impact du processus sur la qualité interne du produit. Cette méthode est plus adaptée aux brames et lingots plus larges, où la morphologie du noyau liquide à la fin de la solidification peut être complexe.

Le processus de réduction à la fin de solidification a évolué au fil des décennies. Depuis les années 1960, les chercheurs japonais ont constaté que l'application de déformation dans cette zone pouvait améliorer la qualité interne des lingots en continu, particulièrement en réduisant la ségrégation et les défauts internes. Ce type de réduction était initialement réalisé de manière statique, avec des rouleaux fixés à des positions prédéterminées. Bien que cette approche ait montré des résultats positifs dans des conditions spécifiques, elle restait limitée par des paramètres fixes, tels que la vitesse de coulée et la température de versement. Cependant, elle a jeté les bases des technologies de réduction douce moderne.

Dans les années 1990, avec l'émergence de technologies telles que l'ajustement à distance des espaces de rouleaux et la prédiction de la fin de solidification, de nouvelles approches dynamiques ont été développées. Ces technologies permettent un ajustement dynamique de la zone de réduction et de la quantité de réduction appliquée, en fonction de paramètres variables tels que le type d'acier, la vitesse de coulée, et la section transversale du lingot. Ces progrès ont ouvert la voie à des technologies plus sophistiquées et efficaces, comme celles utilisées pour la production de produits en acier de grande qualité et de grandes sections, dont la demande a fortement augmenté dans la dernière décennie.

L'une des premières innovations dans ce domaine fut la réduction douce statique, introduite en 1974 par la société japonaise NKK. Cette approche consistait à appliquer une déformation mécanique à la fin de la zone à deux phases des brames, en utilisant au moins deux paires de rouleaux pour réduire le lingot de 2 %. Bien qu'efficace pour améliorer la densité interne du lingot, cette méthode était limitée par la nécessité de fixer les paramètres du processus. Cela a conduit au développement ultérieur de technologies plus flexibles et dynamiques. En 1980, NKK a amélioré cette méthode en introduisant une section de réduction douce en forme de éventail avec des rouleaux segmentés à petit diamètre, permettant une réduction plus uniforme et plus contrôlée de la surface de la brame. Cette technique a été utilisée avec succès dans plusieurs installations de production.

À la fin des années 1980, NKK a mis au point la technologie IBSR (Intentional Bulging and Soft Reduction), qui visait à induire un renflement contrôlé à la fin de la solidification pour améliorer l'écoulement du métal en fusion et la réduction de la brame. Ce procédé a permis d'améliorer la forme irrégulière de la coque à la fin de la solidification et a facilité le passage du métal en fusion. Cependant, cette méthode présentait un inconvénient potentiel : si la coque était trop mince, le renflement pourrait provoquer des fissures sur les côtés du lingot.

Dans les années 1990, la technologie DRSR (Disk Roll Soft Reduction), également appelée méthode de réduction à rouleaux convexes, a été introduite pour résoudre ce problème. Ce processus, basé sur l'utilisation de rouleaux convexes, a permis une meilleure distribution de la réduction sur la surface de la brame et a minimisé les risques de déformation excessive, tout en améliorant la qualité de la brame.

Il est crucial de comprendre que l'efficacité de la réduction à la fin de la solidification dépend non seulement des technologies de réduction elles-mêmes, mais aussi des conditions d'exploitation et des propriétés du métal coulé. Les facteurs tels que la composition chimique de l'acier, la température de coulée, la vitesse de coulée, ainsi que les dimensions du lingot, doivent tous être pris en compte pour optimiser le processus et garantir une qualité maximale du produit final. Les défis restent nombreux, notamment pour les brames de grande section ou celles fabriquées à partir de nouveaux alliages, où les déformations peuvent être plus complexes et difficiles à contrôler.

L'impact de la distribution de l'eau dans la zone de refroidissement secondaire sur la fermeture des porosités dans le processus de réduction des plaques épaisses

La distribution de l'eau dans la zone de refroidissement secondaire n'a pas d'impact significatif sur l'amélioration de la fermeture des porosités à la fin de la solidification de la plaque sous réduction. Dans différentes conditions de distribution de l'eau dans cette zone, les distributions de température aux positions 1/2 et 1/8 dans la direction de l'épaisseur de la plaque à la fin de la solidification sont illustrées dans la Figure 4.31. Bien qu'il y ait des changements notables dans la distribution de l'eau dans la zone de refroidissement secondaire, aucune modification significative de la distribution de la température dans la direction de l'épaisseur n'est observée à la fin de la solidification de la plaque. En conséquence, le degré de fermeture des porosités, tel qu'illustré dans la Figure 4.30d, n'est pas influencé de manière significative par le volume d'eau dans la zone de refroidissement secondaire.

Les résultats montrent que la distribution de l'eau a un impact notable sur la position du fil à la fin de la solidification. Lorsque la distribution d'eau dans la zone de refroidissement secondaire augmente de 0,80 L/kg à 1,00 L/kg, la position de la fin de la solidification se déplace d'environ 1,3 m vers l'avant. Cela implique que la fin de la solidification de la plaque et la position correspondante du fil peuvent être ajustées par des modifications appropriées de la distribution de l'eau dans la zone de refroidissement secondaire. Cela permet de faciliter l'implémentation efficace de la réduction à la fin de la solidification des plaques larges et épaisses.

Les chercheurs ont largement étudié le comportement de la fermeture des porosités internes des matériaux métalliques pendant les processus de déformation thermique et mécanique, notamment lors des réductions lors de la coulée continue. Cela est souvent évalué par des modèles théoriques de fermeture des porosités, nécessitant la création de modèles thermomécaniques pour des conditions avec et sans porosités préexistantes. Le comportement de la fermeture des porosités dans un modèle avec porosité pendant le processus de déformation est lié au comportement de déformation des modèles sans porosité aux positions correspondantes, permettant ainsi d'établir une relation caractéristique de "fermeture des porosités".

Certains chercheurs utilisent l'équivalent de la déformation (ε_eq) du matériau de base après la déformation comme paramètre index pour évaluer le comportement de la fermeture des porosités. De plus, la constante d'intégration de la contrainte hydrostatique statique, proposée par Tanaka, est parfois utilisée comme paramètre index pour évaluer ce comportement de fermeture des porosités. Cette approche permet de relier quantitativement le degré de fermeture des porosités à des paramètres de déformation tels que la contrainte équivalente et la déformation équivalente.

Le modèle de fermeture des porosités pendant la réduction de grandes plaques épaisses peut également être évalué en observant la variation du volume des porosités avant et après la réduction, selon l'équation η_v = (V₀ - V) / V₀, où η_v est le degré de fermeture des porosités basé sur la variation de volume. Il est possible de supposer que la porosité après réduction prend une forme ellipsoïdale, ce qui permet de calculer le volume de la porosité post-réduction en fonction des déformations dans les trois directions axiales. Un degré de fermeture plus élevé, c'est-à-dire un η_v plus grand, indique une meilleure réduction des porosités.

Les relations entre le degré de fermeture des porosités et la déformation équivalente (ε_eq) ou l'intégrale de la contrainte hydrostatique (Q) ont été analysées. Les coefficients de corrélation de Pearson pour ces relations montrent une forte corrélation entre les paramètres, ce qui permet d'établir des équations quantitatives pour la prédiction du comportement de fermeture des porosités dans le cadre de la réduction de plaques épaisses.

Il est également essentiel de comprendre que la gestion efficace de la distribution de l'eau dans la zone de refroidissement secondaire ne se limite pas seulement à l'optimisation de la température, mais joue également un rôle clé dans la régulation de la position de la fin de solidification. L'ajustement approprié de ces paramètres peut être crucial pour la réduction et la gestion de la porosité dans les processus de coulée continue, surtout lorsqu'il s'agit de pièces de grande taille et de structure complexe. De plus, la modélisation théorique de la fermeture des porosités peut aider à mieux comprendre et prédire les comportements de déformation, offrant ainsi un outil précieux pour améliorer la qualité du produit final.

Comment se forment la ségrégation centrale et la porosité dans les produits de coulée continue ?

Au cours de la solidification des produits issus de la coulée continue, une série de forces extérieures influencent profondément la

Quelle est la loi du transport de soluté dans les lingots coulés en continu lors du processus de réduction à haute température ?

Les résultats de l'expérience de diffusion à haute température, tels que ceux examinés dans ce chapitre, révèlent des comportements spécifiques quant à la distribution des éléments solutés dans les lingots de métal pendant leur solidification et réduction. Dans le contexte de la coulée continue, ce phénomène de diffusion joue un rôle crucial dans la formation de structures et de caractéristiques spécifiques des alliages, notamment la ségrégation. La loi de transport de soluté lors de la réduction des lingots moulés en continu est un sujet fondamental pour comprendre les processus métallurgiques qui influencent la qualité et la performance des produits finis.

La diffusion des solutés dans le métal en fusion est étroitement liée aux propriétés thermomécaniques du processus de coulée continue. Elle est gouvernée par une série de facteurs tels que la vitesse de refroidissement, la composition chimique du métal, et les conditions de mouvement du métal dans le moule, qui peuvent être affectées par des techniques comme l'agitation électromagnétique. Ces facteurs contribuent à la distribution hétérogène des éléments dans le lingot, ce qui peut conduire à la formation de zones de ségrégation, notamment au centre du lingot où la solidification est moins homogène.

Il est essentiel de noter que ce phénomène n’est pas uniquement un résultat de la dynamique thermique. Les forces de convection dans le liquide, combinées à la présence d’une structure dendritique en formation, jouent également un rôle majeur. Ainsi, la modélisation numérique des flux thermiques et de la diffusion des solutés devient une technique clé pour prédire et comprendre la macro-ségrégation dans les lingots en cours de solidification. Ces modèles sont utilisés pour simuler les comportements du métal en fusion, en tenant compte des conditions de refroidissement asymétriques et de la déformation du lingot qui peut résulter de ces différences thermiques.

Dans le cadre de la réduction du lingot, où la contrainte mécanique est appliquée pour améliorer les propriétés du matériau, le transport du soluté devient encore plus complexe. La compression du métal, associée à un refroidissement rapide, peut générer des gradients de concentration au niveau des interfaces solides et liquides, créant des zones où certains éléments métalliques sont plus concentrés. Ces zones de ségrégation peuvent affecter la résistance mécanique, la ductilité et d'autres propriétés physiques essentielles du métal.

Les avancées récentes dans la simulation de la ségrégation du soluté, notamment par l’utilisation de modèles à automates cellulaires couplés avec des éléments finis, ont permis une meilleure compréhension de ces phénomènes complexes. Ces modèles permettent de prévoir l'évolution des structures internes du métal et d'optimiser les processus de coulée continue afin de réduire les défauts associés à la ségrégation.

L'importance de ce phénomène va au-delà de la simple compréhension des mécanismes de diffusion. En effet, les choix technologiques faits durant la coulée continue, notamment l'introduction de processus comme le refroidissement secondaire ou l’agitation électromagnétique, influencent directement la qualité du métal coulé. Par conséquent, les ingénieurs métallurgistes doivent prêter attention non seulement aux paramètres de température et de vitesse de coulée, mais également à la dynamique du flux thermique et de la distribution des solutés dans la masse métallique.

La gestion de la ségrégation dans les lingots en coulée continue n'est pas seulement un enjeu de production, mais aussi de performance à long terme des matériaux utilisés dans les applications industrielles. Une bonne maîtrise de ces phénomènes permet de garantir la constance des propriétés mécaniques des produits finis, qu'il s'agisse de grandes plaques d'acier pour la construction ou de lingots destinés à des applications plus spécifiques, comme dans l’industrie automobile ou aérospatiale.

Comment améliorer le taux de cristaux équiaxes dans la coulée continue : Technologies et processus clés

L'amélioration du taux de cristaux équiaxes dans la coulée continue est un objectif primordial pour garantir une meilleure homogénéité des produits coulés et minimiser les défauts internes comme la ségrégation centrale et la porosité. Plusieurs technologies ont été développées pour répondre à ces défis, chacune visant à modifier les conditions de solidification du métal en fusion et à optimiser la structure interne du produit final.

Les techniques de coulée à faible surchauffe, telles que l'agitation électromagnétique dans le moule, l'alimentation en bande ou fil d'acier dans le cristallisoir, ainsi que l'oscillation magnétique pulsée dans les zones intermédiaires de la coulée, jouent un rôle crucial dans l'augmentation du taux de cristaux équiaxes. L'introduction de chaleur par induction dans la cuve intermédiaire et l'utilisation de chauffage par plasma permettent d'obtenir une coulée stable à faible surchauffe, ce qui favorise la formation de cristaux équiaxes dans le noyau liquide. Ce phénomène est renforcé par l'alimentation en fil ou bande d'acier, qui permet de réduire la surchauffe dans le cristallisoir, non seulement par l'absorption de chaleur lors de la fusion du fil d’acier, mais aussi par l'oscillation du fil, créant des fluctuations énergétiques et de composition. Ces fluctuations introduisent davantage de sites de nucléation et augmentent le sous-refroidissement, ce qui améliore la nucléation et diminue les défauts de solidification.

Une autre méthode efficace consiste à utiliser l'agitation électromagnétique dans le moule, qui améliore la vitesse de circulation du métal en fusion et facilite une dissipation thermique plus rapide dans le noyau de la pièce coulée. Cette technique aide à accroître le sous-refroidissement nécessaire à la nucléation et permet une amélioration significative du taux de cristaux équiaxes dans la zone centrale du brin de coulée. Cependant, son efficacité est parfois limitée par des facteurs comme la position de l'agitation et la quantité de métal solide dans le brin. Des ajustements sont souvent nécessaires en fonction du type d'acier, de la section du brin et de la vitesse de coulée.

L'oscillation magnétique pulsée représente une autre approche innovante. En induisant des forces électromagnétiques par un courant pulsé, cette technique provoque la séparation des noyaux déjà solidifiés à l'interface de solidification. Cela raffine la structure de solidification et permet de corriger des défauts comme la porosité ou la ségrégation en profondeur. La figure 1.5 illustre ces différentes techniques efficaces pour augmenter le taux de cristaux équiaxes dans les produits de coulée continue.

L'amélioration du transport des solutés et la compensation du retrait de solidification sont des aspects essentiels pour combattre les défauts métallurgiques comme la ségrégation