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 / 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

Calcium treatment is an established operation in the production of steels. Most importantly, it serves to modify detrimental inclusions in the melt for improved castability and superior product properties. Due to calcium’s low melting point and high vapour pressure, its addition to liquid steel is challenging and yields are generally low. The current standard method for addition is cored wire feeding, in which a calcium-bearing compound is injected into the melt inside a sacrificial metal tube. The depth at which the compound is released has a pronounced impact on its yield and depends on the rate at which the wire is injected. A mathematical model is constructed to predict the time after which release occurs and thus estimate injection depth. It is based on one-dimensional heat transfer and respects phase change effects, i.e., solidification of melt on the cold wire surface and subsequent melting of the wire and compound. Equations are derived using the finite difference method and the model is solved numerically using an implicit method. The model is applied to two different steel grades – one austenitic (AISI 316L), one super-duplex (SAF 2507) – and predictions are tested for the former grade in a 75-ton industrial ladle furnace. Results indicate that a decreased feeding rate (<100 m/min) leads to better calcium yield. Positive effects were also observed with downward melt stirring and a good slag coverage. Improved yield can lead to savings in process and material cost. The results also provide insights into the cored wire feeding process which may be useful for future process development, both for calcium and other additions. / Kalciumbehandling är en etablerad process vid tillverkning av stål. Framförallt används den för modifieringen av skadliga inneslutningar i smältan för att förbättra gjutbarheten och produktegenskaper. På grund av kalciums låga smältpunkt och höga ångtryck är det svårt att tillsätta det till flytande stål och utbytet är i allmänhet låg. Den nuvarande standardmetoden för tillsats är inmatning av tråd, där ett kalciumhaltig ämne matas in i smältan inuti en metallhölje som smälter bort. Djupet på vilket ämnet frigörs påverkar utbytet och beror på hur snabbt tråden matas. En matematisk modell konstrueras för att beräkna den tid efter vilken frisättning sker. Den bygger på endimensionell värmeöverföring och tar hänsyn till fasförändringseffekter, dvs. stelning av smältan på den kalla trådytan och smältning av tråd och kalciumämne efteråt. Ekvationer härleds med hjälp av finita differensmetoden och modellen löses numeriskt med hjälp av en implicit metod. Modellen tillämpas på två olika stålsorter – en austenitisk (AISI 316L) och en superduplex (SAF 2507) – och förutsägelser testas för den förstnämnda sorten i en 75-tons industriell skänkugn. Resultaten visar att en minskad matningshastighet (< 100 m/min) leder till ett ökat kalciumutbyte. Positiva effekter observerades med nedåtgående smältomrörning och god slaggtäckning. Ett förbättrat utbyte kan leda till besparingar i fråga om process- och materialkostnader. Resultaten ger också insikter i processen för inmatning av tråd, vilket kan vara användbart för framtida processutveckling, både för kalcium och andra tillsatser.