Etude expérimentale et numérique du traitement inclusionnaire de l’acier par injection de calcium

In order to diminish the harmful effects of aluminate inclusions and improve the castability of molten steel, calcium treatment is widely used in Aluminum killed steels. However, calcium treatment gives irregular results. Even with many efforts done to understand the behavior of calcium in liquid steel, it is not yet accurately predicted. Therefore, the mechanism by which the calcium dissolves into the liquid steel and transforms the solid inclusions must be understood to optimize the process conditions such as injection speed, injection depth, injection wire diameter, stirring time, etc. In order to understand the mechanism by which the calcium dissolves into the liquid steel, laboratory scale experiments have been performed in a small induction furnace of 2.5 kg metal capacity. The calcium injections are performed at the temperature below and above the boiling point of calcium. Then, the corresponding yields (calcium recovery) are compared. Rise of calcium droplet or bubble in liquid steel is a three-phase problem (calcium droplet or calcium bubble/liquid steel/air at the top). Therefore, an in-house scientific computational platform (ICI-tech) based on finite element methods is adapted to allow the modeling of such three-phase flows, which is validated using the classical benchmark issued from the literature. The dissolution model has been implemented in our software, and their validation has been performed. Thereafter, the rise of Calcium droplets and bubbles are studied in the liquid steel, and their respective average mass transfer coefficient in the liquid steel is reported. In order to study the calcium liquid/gas phase change, the nucleation model has been implemented in the code (ICI-tech). A typical test is performed where the growth of a bubble (water vapor) in uniformly superheated water and growth of a calcium bubble in uniformly superheated Ca liquid is computed.Afin de réduire les effets nocifs des inclusions d'alumine et d'améliorer la coulabilité de l'acier en fusion, le traitement au calcium est largement utilisé pour transformer les inclusions solides en inclusions liquides. Cependant, le traitement au calcium donne des résultats très irréguliers, difficilement explicables. Même si de nombreux efforts ont été déployés pour comprendre le comportement du calcium dans l’acier liquide, il n’a pas encore été prédit avec précision. Par conséquent, le mécanisme par lequel le calcium se dissout dans la masse fondue et transforme les inclusions solides doit être compris pour optimiser les conditions de traitement tels que la vitesse d'injection, la profondeur d'injection, le diamètre du fil d'injection, le temps d'agitation, etc. Afin de comprendre le mécanisme par lequel le calcium se dissout dans l'acier liquide, des expériences en laboratoire ont été effectuées dans un petit four à induction d'une capacité de 2,5 kg de métal. L'objectif est de confronter les résultats expérimentaux avec les résultats du modèle numérique développé. La remontée des gouttelettes de calcium ou des bulles dans l’acier liquide est un problème à trois phases (gouttelettes ou bulles de calcium/acier liquide/air au sommet). Par conséquent, une plateforme de calcul scientifique interne (ICI-tech) basée sur des méthodes par éléments finis est adaptée pour permettre la modélisation de telles solutions. Les écoulements triphasiques sont validés à l’aide de références classiques issues de la littérature. Le modèle de dissolution a été mis en oeuvre dans notre logiciel et la validation du modèle de dissolution a été réalisée. Les gouttelettes et les bulles de calcium sont étudiées dans l’acier liquide et leur coefficient de transfert de masse moyen est indiqué. Afin d'étudier le changement de phase calcium liquide/gaz, un modèle de nucléation a été implémenté dans le code ICI-tech. Un test typique est effectué où la croissance d'une bulle (vapeur d'eau) dans une eau uniformément surchauffée et la croissance d'une bulle de calcium dans du calcium liquide uniformément surchauffé sont calculées