Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Le but de ce travail est de concevoir une méthode permettant de calculer le coefficient transitoire de transfert de chaleur à l'interface moule/métal lors de la solidification de l'aluminium pur commercial.

La méthode de calcul proposée consiste à déterminer la température à la surface de l'aluminium, la température à la paroi interne du moule et le flux de chaleur traversant l'interface moule/métal. L'obtention de ces valeurs se fait par l'utilisation complémentaire d'une expérimentation et d'un modèle numérique. L'expérimentation permet d'obtenir les conditions initiales et aux limites du modèle numérique. Le montage expérimental se compose d'un moule cylindrique (hauteur de 22.5 cm, rayon interne de 5 cm et rayon externe de 9 cm) permettant d'obtenir une solidification unidirectionnelle et radiale, d'un système d'alimentation, et de capteurs de température. Le modèle numérique repose sur les équations de conduction de chaleur, développées en coordonnées cylindriques pour la direction radiale. Le moule et l'aluminium solide sont traités avec les équations de conduction de chaleur, et l'aluminium liquide et diphasique sont traités avec la méthode enthalpique de Voiler. Diverses techniques ont été développées pour combiner l'expérimentation et le modèle numérique: une méthode de lissage permettant d'éliminer le bruit contenu dans les données expérimentales; une méthode spécifique de calcul des conditions aux limites à partir des valeurs expérimentales; et, enfin, une méthode de correction du modèle unidimensionnel qui prend en compte la perte de chaleur induite par la dissymétrie verticale.

Les résultats obtenus permettent de valider l'expérimentation et le modèle numérique, et, aussi, d'évaluer les causes d'erreurs dues aux capteurs utilisés. Le coefficient de transfert de chaleur à l'interface moule/métal montre un comportement transitoire jusqu'à 200 s puis quasi stationnaire par la suite. La valeur maximale du coefficient est de l'ordre de 2400 W/m2Kpour un écart de température de l'ordre de 500°C entre la paroi interne du moule et la surface de l'aluminium liquide. La valeur du coefficient apparaît comme relativement indépendante des conditions initiales de température (dans le domaine d'utilisation industrielle). La situation expérimentale obtenue s'avère correctement unidimensionnelle dans le moule. L'approximation unidimensionnelle est moins bonne dans l'aluminium, mais la méthode de calcul reste suffisamment précise, de l'ordre de 4%, dans la partie transitoire.

La méthode décrite peut être utilisée pour déterminer les valeurs du coefficient en fonction des conditions de moulage comme les températures initiales du moule et de l'aluminium, le type et l'épaisseur du revêtement recouvrant les parois du moule. Après modification, elle pourra être aussi utilisée pour les alliages.