Study of calcium cored wire injection in an industrial steel ladle

par Edgar Ivan Castro Cedeño

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Jean-Pierre Bellot et de Alain Jardy.

Le président du jury était Michel Vilasi.

Le jury était composé de Jean-Pierre Bellot, Hani Henein, Annie Gagnoud, Sébastien Gérardin, Frédéric Gruy.

Les rapporteurs étaient Hani Henein, Annie Gagnoud.

  • Titre traduit

    Étude du traitement calcium par injection du fil fourré dans une poche industrielle d’acier


  • Résumé

    Afin d'améliorer la coulabilité de certaines nuances d'acier, du calcium est ajouté pour modifier et contrôler la nature des inclusions d'oxydes et des sulfures présentes dans l'acier. Grâce au traitement au calcium, les inclusions solides provoquant l'obstruction des buses de coulée sont converties en inclusions liquides qui ne bouchent pas les buses. L'injection du fil fourré est devenue l'une des technologies de pointe pour les ajouts de calcium, car elle offre une récupération de calcium plus élevée que d'autres méthodes et son fonctionnement est simple et peu coûteux. Ce travail est divisé en deux axes principaux. La première clarifie les mécanismes de dissolution du fil fourré lors de son injection dans le métal liquide. La deuxième traite du transport du calcium une fois qu'il est libéré dans l'acier, ainsi que de la modification chimique des inclusions par cet élément. Le premier axe s'articule autour de DissolFil, un modèle numérique décrivant les phénomènes thermiques présents au cours du processus d'injection d'un fil fourré dans un bain d'acier liquide. Celui-ci est complété par une étude expérimentale de l'immersion de fils fourrés dans des bains d'acier statiques utile à la validation du modèle. Les résultats de simulation ont mis en évidence l'importance de la vitesse d'injection du fil en tant que paramètre à adapter en fonction de la conception du fil et de la surchauffe du bain d'acier afin d'optimiser la profondeur de libération du calcium dans la poche. Le deuxième axe comprend un modèle de dissolution et du transport du calcium dans une poche d'acier et la modification des inclusions, couplant la mécanique des fluides et la thermodynamique à l'aide des codes de calcul Ansys Fluent (mécanique des fluides) et CEQCSI (thermodynamique). Le modèle a été validé à partir des prélèvements d’acier réalisés lors d’essais industriels spécifiques. Nous montrons que le transfert de masse en couche limite à partir des bulles de calcium vers l'acier liquide est le mécanisme dominant pour la dissolution du calcium. De plus, la modification globale des inclusions solides et liquides dépend fortement du mélange et de l'homogénéisation de la poche et de la composition chimique de l'acier


  • Résumé

    In order to improve the castability of some steel grades, calcium is added to the liquid steel to modify and control the nature of oxide and sulphide inclusions present in the steel. As a result of the treatment with calcium solid inclusions that provoke clogging of the casting nozzles are converted into liquid ones that do not clog the nozzles. Cored wire injection has matured as one of the leading technologies to perform calcium additions since it offers a higher calcium recovery than other methods and its operation is simple and inexpensive. This work, divided into two main axes, clarifies the mechanisms of dissolution of the cored wire during its injection, the dissolution and transport of calcium once it has been released into the steel ladle, and the chemical modification of inclusions by this element. The first axis revolves around DissolFil, a numerical model describing the thermal phenomena occurring during the process of injection of a cored wire into a liquid steel bath. In parallel, an experimental study of immersion of cored wires into quiescent steel baths that was carried out with the aim of validating the model. The simulation results put into evidence the importance of the wire injection velocity as the operating parameter that needs to be tailored as a function of the wire design and steel bath superheat in order to optimize the release depth of calcium in the steel ladle. The second axis comprises a model of dissolution and transport of calcium in the steel ladle and inclusion modification, coupling fluid-dynamics and thermodynamics by using the Ansys Fluent (fluid-dynamics) and CEQCSI (thermodynamics) calculation codes. The model was validated with data from steel samples obtained in dedicated industrial trials. We highlight boundary layer mass transfer from calcium bubbles into the liquid steel as the dominant calcium dissolution mechanism. Furthermore, the global modification of solid inclusions into liquid ones depends strongly on the mixing and homogenization in the ladle and the steel chemical composition



Le texte intégral de cette thèse sera accessible sur intranet à partir du 24-01-2022

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