Maintaining the uniformity of the temperature distribution of the liquid metal before it enters the mold of Direct Chill (DC) casting processes is critical from the standpoint of defect formation. The temperature of the liquid phase depends on the flow pattern of the molten metal which is strongly inter-connected to the design characteristics of the metal distributor and the process parameters used for a particular alloy such as, casting speed, melt superheat, mold water flow rate, etc. If the melt distribution system is improperly designed and can't sufficiently reduce the turbulence of the incoming melt in the liquid pool, then it will act as a continuous source of oxide formation and contamination during the whole casting process. This will impact adversely on the cast quality and enhance the scrap rate. In order to minimize the impurities in the cast, the present research study suggests and models various new designs of melt distribution systems where the melt is filtered before entering the mold. As part of this effort, a comprehensive 3-D mathematical model of the coupled turbulent fluid flow, heat transfer with mushy region solidification was developed for the vertical DC casting process during steady state phase for an industrial scale rolling ingot. The model was specifically used for understanding the complex interactions between the melt flow and temperature evolution in the solidifying Al-1050 ingot under six different melt feeding arrangements for various casting speeds and melt superheats. The predicted results are presented in the form of temperature and velocity fields. In addition, the quantitative values of the sump depth, the mushy zone thickness, the shell thickness, and the local surface heat flux are given in both graphical and tabular forms. The results show that the temperature distributions and the velocity fields in the melt and in the mushy region are significantly different under different melt feeding schemes. The predictions of the various aspects of the ingot have provided a clear insight about the thermal variations in the entire cross-sections of the ingot. The fundamental models which have been developed in this research can be used as a powerful tool for process optimization and quality control. / Maintenir l'uniformité de la distribution de température d'un métal liquide avant qu'il soit mis dans un moule de traitement thermique Direct Chill (DC) est critique pour réduire la formation de défauts. La température de la phase liquide d'un métal en fusion dépend sur sa configuration d'écoulement, et ce dernier est fortement liée aux particularités du distributeur de métal utilisé, ainsi qu'aux paramètres choisis pour l'alliage en question, tel que la vitesse de moulage, la fusion en surchauffe, la vitesse d'écoulement de l'eau de moule, etc. Si le système de distribution de température a des défauts de conception et ne peut pas réduire suffisamment la turbulence du métal en fusion qui arrive dans le réservoir, il agira comme source continuel de formation d'oxyde et de contamination durant le processus de moulage. Ceci aura des effets négatifs sur la qualité du moulage et augmentera le taux de rebuts. Pour minimiser les impuretés durant le moulage, notre projet de recherche vise à développer plusieurs conceptions de systèmes de distributions de température où le métal en fusion est filtré avant d'arriver dans la moule. Dans ce but, un modèle mathématique 3-D représentant l'écoulement de fluide turbulent couplé, ainsi que le transfert de chaleur avec solidification de région molle, a été développé pour le processus de moulage DC durant la phase stable pour un lingot roulé de taille industrielle. Plus précisément, ce modèle a été utilisé pour comprendre les interactions complexes qui se produisent entre l'écoulement de métal en fusion et l'évolution de température du lingot solidifié Al-1050 sous différentes paramètres de fusion, pour plusieurs vitesses de moulage et de fusion en surchauffe. Ce modèle est basé sur le la méthode des volumes finis. Cet algorithme simple a été utilisé pour couplé la vélocité et les champs de pression pour que les vélocités répondent à l'équation de conservation. Une formulation de phase simple a été adoptée pour résoudre les trois régions, dont liquide, molle et solide, grâce à un ensemble d'équations gouverneurs. Le modèle 'low-Reynolds number k- ε' de Launder et Sharma a été utilisé dans la région en fusion pour justifier l'augmentation de viscosité effective et la conductivité thermique effective, et donc balancer les effets de turbulence qui se présentaient. La méthode populaire 'enthalpy-porosity' a été adopté pour couplé l'équation d'énergie avec l'équation de quantité de mouvement. La loi de Darcy a été utilisée dans les équations de quantité de mouvement pour modeler l'écoulement de fusion dans la région molle. Les termes de convections des équations ont été discrétisées en utilisant la méthode de la différence hybride. Les effets de convection naturelle dans le métal liquide ont été ajoutés grâce à l'approximation Boussinesq. Le filtre, qui a été placé sur le sommet du réservoir, a été modelé grâce à l'équation 'Brinkman-Forchheimer extended Darcy' pour matières poreuses. L'approche proposé par Pedras et de Lemos a été utilisé pour modeler le courant turbulent et le transfert de chaleur dans les matières poreuses. Avec cette approche, l'opérateur de la moyenne des volumes a été appliqué à l'équation des heures de turbulence locales. Les zones de refroidissement primaires et secondaires ont été simulées en changeant le coefficient de transfert de chaleur sur la surface du lingot. Les données de coefficient de transfert de chaleur ont été prises de la littérature sur le moulage DC. Le modèle 3-D CFD a été validé contre les résultats de phases de solidification stable obtenus par d'autres études sur le moulage, pour un lingot roulé 1320 mm x 660 mm AA3104, moulé avec un système de délivrance combo 'standard bag'. La comparaison du front de solidification prévu avec les données mesurées, récupérées avec des thermocouples sacrificiels intégrés, indiquent que le modèle donne des résultats fiables.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.121239 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Begum, Latifa |
| Contributors | Mainul Hasan (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mining and Materials) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses |
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