Study and understanding of gaseous mold metal interactions in steel casting

Étude et compréhension des interactions gazeuses moule métal en fonderie d'acier La composition de l’atmosphère du moule joue un rôle crucial dans les interactions moule-métal lors de la coulée des aciers, et contribue de manière significative à plusieurs défauts de coulée, tels que l’abreuvage, la porosité gazeuse et la formation de soufflures – des défauts qui nécessitent souvent des réparations importantes, voire entraînent le rebut de la pièce. Bien que les mécanismes fondamentaux de formation de l’atmosphère dans les moules en sable soient décrits dans la littérature, la compréhension actuelle – en particulier dans le contexte de la coulée des aciers – reste limitée. Les études expérimentales impliquant des mesures directes de la composition chimique de l’atmosphère dans les moules sont rares et, dans de nombreux cas, datent du siècle dernier. Cette thèse vise à apporter une meilleure compréhension sur les phénomènes en étudiant expérimentalement l’influence des paramètres du procédé sur la formation de l’atmosphère dans les moules en sable utilisés en fonderie des aciers, et en évaluant son impact sur la qualité des pièces. L’un des principaux défis réside dans la difficulté de mesurer directement la composition des gaz, en raison des conditions extrêmes et des contraintes techniques du procédé de la fonderie. Pour y répondre, un système d’analyse des gaz sur-mesure a été développé au cours du projet, permettant un suivi en temps réel et in-situ de l’atmosphère du moule. La conception et la validation de ce système sont présentées dans le manuscrit. La campagne expérimentale a consisté à mesurer le gaz en continu lors de la coulée et refroidissement de la pièce. En parallèle le gaz a été prélevé dans des sacs Tedlar pour être analysé à posteriori. Les résultats ont montré que la température de coulée et les variations mineures de la composition du métal n’avaient que peu d’effet sur la formation de l’atmosphère. L’humidité du sable et son état de régénération ont montré une influence limitée, tandis que les additifs du sable ont eu l’impact le plus significatif sur la composition de l’atmosphère formée dans le moule. Des observations métallographiques des pièces coulées ont permis de mieux comprendre la relation entre l’atmosphère et la formation des défauts. De plus, une analyse statistique, réalisée à l’aide d’un script Python personnalisé intégrant un algorithme de « machine learning », a permis de relier la présence d’inclusions au potentiel oxydant de l’atmosphère. Une concentration élevée d’hydrogène au début de la coulée a été identifiée comme favorisant l’apparition de défauts de porosité.