Numerical Modeling of Electroslag Remelting Process : Representation of energy transfers between slag and metal
Modélisation du procédé de refusion sous laitier électroconducteur : représentation des transferts énergétiques métal-laitier
Résumé
The electroslag remelting process (ESR) is used to produce high added value alloys characterized by a higher metallurgical quality. These alloys are reserved for specific industries, such as aeronautics or energy. Numerical modeling of the ESR process is a tool-of-choice to gain a better understanding of the phenomena occurring during the remelting and optimize the operation. In order to improve a 2D axisymmetric model of the ESR process, previously developed at the Jean Lamour Institute in close collaboration with Aubert & Duval company, an accurate description of the metal transfers to the ingot via the liquid metal droplets has been developed. First of all, liquid metal droplets behavior has been investigated using a specifically developed 2D diphasic model of the slag bath. This model has been supported by 3D detailed simulations of dripping phenomena during electroslag remelting, performed at Montanuniversitaet Leoben (Austria). The influence of falling drops on the slag hydrodynamics, heat tranfer and electromagnetic phenomena has been highlighted. Afterwards, a simplified model of drops-slag interactions has been implemented into the global ESR model. The liquid metal transfer representation at the top of the ingot has then been enhanced, and considers the in-depth impact on the melt pool. The newly developed version of the global model has been validated by comparing results to industrial-sized remelted ingots. In order to discuss the relationship between power consumed and melt rate, a 1D thermal model of the consumable electrode has been set-up. The latter has been implemented into the global ESR model to estimate the melt rate. Finally, industrial-scale ingots have been specially remelted to study the influence of electrode immersion depth. Associating experimental observations and simulation results, three immersion regimes have been distinguished, especially regarding to the slag equivalent resistance. The impact of immersion depth on ingot solidification have been discussed.
Le procédé de refusion sous laitier électroconducteur (ESR) permet d’élaborer des alliages à haute valeur ajoutée caractérisés par une qualité métallurgique améliorée. Ces alliages sont notamment destinés aux industries de pointe, comme l’aéronautique ou l’énergie. La simulation de ce procédé est un outil essentiel afin d’améliorer la compréhension des phénomènes mis en jeu lors des refusions et d’optimiser la conduite du procédé. Afin d’améliorer un modèle 2D axisymétrique du procédé ESR développé par l’Institut Jean Lamour en collaboration avec la société Aubert & Duval, une description précise du transfert de métal liquide via les gouttes a été développée. Dans un premier temps, le comportement des gouttes chutant dans le laitier a été analysé grâce à un modèle diphasique 2D axisymétrique spécifiquement développé. Celui-ci a été nourri par les résultats de simulations tridimensionnelles détaillées de la formation et de la chute des gouttes pendant la refusion ESR, réalisées dans le cadre d’un partenariat avec la Montanuniversität Leoben (Autriche). L’influence que peuvent exercer les gouttes sur l’écoulement du laitier, les transferts thermiques et les phénomènes électromagnétiques a été mise en évidence. Un modèle simplifié d’interactions gouttes-laitier a été implémenté dans le modèle global du procédé ESR. La description du transport de métal liquide au sommet du lingot en cours de croissance a alors été améliorée, et tient notamment compte de l’influence en profondeur des gouttes sur le puits liquide. La nouvelle version du modèle a été validée par comparaison à des lingots de taille industrielle. Afin de discuter du lien entre puissance consommée et vitesse de fusion, un modèle thermique monodimensionnel de l’électrode consommable a été développé. Ce dernier a également été implémenté dans le modèle global du procédé afin d’estimer la vitesse de fusion. Enfin, des refusions à l’échelle industrielle ont été spécifiquement effectuées pour étudier l’influence de la profondeur d’immersion de l’électrode. En associant observations expérimentales et résultats de simulations, trois régimes d’immersion ont été différenciés, en particulier en termes de résistance équivalente du laitier. L’impact de l’immersion sur la solidification du lingot a été discuté.