Modélisation numérique multi-échelle des structures de solidification, de la macroségrégation et de la Transition Colonnaire-Equiaxe

As part of the french SOFT-DEFIS project, this work aims to contribute to the development of a numerical tool predicting the formation of equiaxed and columnar solidification structures, as well as the transition zone and associated chemical segregations during large steel ingots casting. Until now, models generally use the finite volume method. A first model based on the finite element method has been proposed but limited to equiaxed solidification. The latter is extended to model both columnar and equiaxed structures. A Level-Set method is applied in order to follow the growth of the columnar front. Its velocity is calculated using a growth kinetics model developed for dendritic microstructures. Equiaxed grains develop in the undercooled liquid ahead of the columnar front and can be transported. Two sources of equiaxed grains are modeled : heterogeneous germination as well as fragmentation. The model considers the dendritic morphology for the two microstructures. A solutal blocking criterion is used to predict the position of the columnar-to-equiaxed transition.The conservation equations are solved using a splitting method separating the two stages of transport and growth. 2D and 3D simulations of small ingots serve as test for the different parts of the model. Finally, the model is applied at thescale of industrial ingots to predict the evolution of developed structures and segregated zones, in comparison with the experimental analyzes of the project partners.Intégré au projet national FUI SOFT-DEFIS, une activité de recherche a été réalisée visant à contribuer au développement d'un outil numérique prédisant la formation des structures de solidification équiaxe et colonnaire, ainsi que la zone de transition et les ségrégations chimiques associées dans la coulée des gros lingots en acier. Jusqu'à présent, les modèles utilisent généralement la méthode des volumes finis. Un premier modèle basé sur la méthode des éléments finis a été proposé mais limité à la solidification équiaxe. Ce dernier est étendu, dans ce projet de recherche, pour modéliser à la fois les structures colonnaires et équiaxes. Une méthode Level Set est appliquée afin de suivre la croissance du front colonnaire. Sa vitesse est calculée à l'aide d'un modèle de cinétique de croissance développé pour les microstructures dendritiques. Les grains équiaxes se développent dans le liquide en surfusion devant le front colonnaire et peuvent être transportés. Deux sources des grains équiaxes sont modélisés : la germination hétérogène ainsi que la fragmentation. Le modèle considère la morphologie dendritique pour les deux microstructures. Un critère de blocage solutal est utilisé pour prédire la position de la transition colonnaire-équiaxe. Les équations de conservation sont résolues en utilisant une méthode de splitting séparant les deux étapes de transport et croissance. Des simulations 2D et 3D ont permis de tester les différentes briques du modèle pour des petits lingots. Le modèle est appliqué, enfin, à l'échelle des lingots industriels pour prédire l'évolution des structures développées et des zones ségrégées, en comparaison avec les analyses expérimentales des partenaires du projet