Présentation du BEI et de ses objectifs

Procédé de la Coulée Continue

Cette étape est le pivot de la production d'acier. C'est dans cette section que l'acier liquide est solidifier, après avoir été chimiquement traité. Le traitement discuté ici suit la conversion du fer et du coke en mélange liquide.

Le laitier dans la coulée continue

Le laitier de couverture, sous forme de poudre, est placé à la surface de l'acier fondu, l'isolant ainsi de l'atmosphère ambiante. Il est présent dans les poches d'acier, dans le répartiteur et dans la lingotière, zone de la coulée continue où l'acier est exposé à l'atmosphère. Le laitier est constitué d'un mélange riche en oxydes. En contact avec l'acier liquide à haute température, une partie de la poudre fond et forme une interface liquide-liquide avec le métal.

Ce laitier joue un rôle primordial dans le procédé car il détermine la qualité de l'acier produit. En effet, il absorbe les inclusions non métalliques de l'acier fondu et donc purifie le produit en sortie de procédé. Ce phénomène est la cause de l'affinité des composants du laitier avec les oxydes contenus dans l'acier fondu.

Dans le même temps, le laitier joue un rôle de lubrificateur pour permettre un meilleur glissement aux parois. Sans lui, les mouvements de l'acier seraient plus difficiles à mettre en place car ce dernier adhérerait aux parois.

Grâce au laitier, qui joue également un rôle de tampon thermique, on évite aussi la solidification du laitier au parois.

 Modelling of liquid steel flow with free surface, Marcela B. Goldschmit, Sergio P. Ferro, A.Heriberto Coppola Owen

Figure 3 : Schéma du procédé de coulée continue de l'acier

 

Position du problème

Pendant la durée de fonctionnement, le laitier ne cesse de changer de composition. En effet, il interagit avec l'acier fondu à l'interface liquide/liquide, par le biais de réactions chimiques ou de phénomènes de transports de matières d'une phase à l'autre. Ainsi, le système change de propriétés physiques de manière significative au cours d'un cycle. C'est pourquoi il est important de bien comprendre et de bien modéliser ces changements si l'on souhaite réaliser une analyse réaliste du système.

La minimisation des défauts de surface pour le produit final va dépendre de la régularité des infiltrations de laitier pendant l'étape de lubrification de la lingotière. Or cette infiltration va dépendre de l'état de viscosité du système à un instant donné et donc va varier dans le temps. C'est la raison pour laquelle il est nécessaire de mettre en place un procédé et un système de refroidissement adaptables aux changements qui vont s'opérer au sein de la lingotière. Contrôler l'évolution de la composition du laitier va permettre de manière indirecte d'influer sur la qualité du produit en sortie de procédé.

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Figure 4  : Acier en phase de solidification en sortie du procédé

finition du système à modéliser

Le modèle développé dans cette analyse représente un petit volume de fluide, proche de l'interface acier/laitier, où l'essentiel des phénomènes de transfert sont observés. L'interface est considérée plane à l'échelle choisie. Elle n'est donc pas soumise aux perturbations liées à l'injection de l'acier dans la lingotière.

On considère également que les instabilités créées par l'écoulement de l'acier fondu, n'influent pas sur l'interface plane. Cette hypothèse se base sur les conclusions d'une étude sous Fluent, préalablement réalisée par un stagiaire d'ArcelorMittal.

L'hypothèse de planéité de l'interface nous permet de ne modéliser que l'écoulement horizontal de l'acier liquide. La figure fournie représente le schéma du modèle local. Il est important de préciser que la région considérée a une taille caractéristique bien plus faible que celle de la lingotière.

Figure 5 : Schéma du domaine d'étude pour les simulations

Le but de notre étude est d'analyser l'évolution du transfert de masse entre les deux fluides, en suivant les profils concentrations des composants échangés. La connaissance de ces profils va permettre par la suite de connaître l'évolution de la composition de l'acier en temps réel. Les chercheurs de l'entreprise pourront alors optimiser la durée des périodes de renouvellement du laitier dans le procéder selon la qualité de l'acier souhaité.

 

 

Objectifs du BEI

Le but du BEI est de déterminer les coefficients de transfert de masse à l'interface Laitier/Acier.

Nous aborderons dans un premier temps une configuration 1D dans laquelle l'écoulement sera parallèle. Cela signifie qu'il n'y a pas de cisaillement et que le laitier et l'acier auront la même vitesse. Cette première partie nous permettra de déterminer la valeur du coefficient de réaction.

Dans un deuxième temps, l'écoulement considéré sera cisaillé et 2D, ceci permettra de prendre en compte les effets hydodynamiques sur le coefficient de transfert de masse. Deux approches seront alors considérés, la première traitant d'une réaction de type surfacique et la seconde du type volumique. 

Figure 6 : Schéma de la portion de liquide étudiée