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

Résumé

The main objective of this research project is to improve the understanding of the role of water in the semi-continuous aluminum casting process. In other words, to provide tools to measure the influence of the chemical properties of water on its cooling capacity. The research work was divided into three parts, each acting as a chapter of the thesis: identification of the key boiling parameters that must be measured to study the role of water cooling in the process (1); the development of a repetitive measurement method to measure the identified key boiling parameters (2) and finally the use of the developed device to measure the role of five ionic species present in process water on its cooling capacity (3). The second chapter of the thesis aims to determine the impact of the four main boiling parameters that characterize the boiling curve (Tchf, Tleid, qfilm, qchf) on the main issues that contribute to the reduction of the metallurgical recovery rate in aluminum semi-continuous casting. A new approach, using a sensitivity study with an uncoupled thermal finite element model was used. From measurements achieved with a mold simulator at the Alcoa Technical Center (ATC), 64 boiling curves were generated and inserted as boundary conditions in the numerical model. Using these reference curves, the values of the four main boiling parameters were individually modified. This approach made it possible to establish correlations demonstrating the influence of the boiling parameters on three output parameters of the simulation, that are prone to cause a decrease in the metallurgical recovery rate. The third chapter of the thesis presents the method and equipment that was developed to measure the key boiling parameters identified by the sensitivity study. The results indicate a significant improvement in the repeatability of this type of measurement. For example, the Leidenfrost temperature (Tleid) was measured with a standard deviation of 1.1 oC. According to the author's knowledge, this standard deviation is at least five times lower than the best value previously published in this field. The boiling curve was computed from the temperature measured near the surface of the sample, using the Beck sequential function specification technique with constant heat flux. Optimization of the accuracy of the method was performed by analyzing the effect of the dimensionless time step and selecting an appropriate geometric domain. In order to establish a reference value for qfilm, the morphology of the water jet in the impingement zone was visualized. High-speed videography (5000 fps) and high-definition images at approximately 3 fps were used to understand the vapor generation in the impingement zone as well as the structure of the two-phase liquid-vapor system in the same zone. Finally, the fourth chapter of the thesis explains the results obtained with the proposed experimental method and apparatus. Five ionic species (Mg2+, Na+, Ca2+, SO42-, Cl-) dissolved in distilled water were used during the measurement campaign. These ionic species were selected because they are included in the daily monitoring of water chemistry by the operators. Two main correlations were established following the measurement campaign: the three key boiling parameters (Tleid, qfilm, qchf) are all influenced by the addition of Mg2+ (1) and by the interaction between the sulfate and calcium ionic species (2). Details of these correlations, which vary according to the boiling parameters and the concentration of the ionic species, are presented. The interaction of sulfate and calcium ions has also been validated with industrial water. A Strongly Basic Anion (SBA) resin was used to control the concentration of sulfate initially present in the process water. A study was finally carried out by scanning electron microscopy in order to understand the results obtained. It was shown that the potential impact of chemical constituents on the cooling capacity of water lies in their ability to form chemical compounds that are poorly soluble in water and precipitate on the surface. The resulting solid deposits form new active nucleation cavities which promote bubble nucleation. According to the author, this type of analysis has not been performed in the past for semi-continuous aluminum casting.

L’objectif principal de cette thèse est d’améliorer la compréhension du rôle de l’eau dans le procédé de coulée semi-continue de l’aluminium. En d’autres mots, fournir des outils pour mesurer l’influence des propriétés chimiques de l’eau sur sa capacité de refroidissement. Pour ce faire, le travail de recherche a été divisé en trois parties, représentant chacune un chapitres de la thèse: l’identification des paramètres d’ébullition qui doivent être mesurés pour représenter le rôle de l’eau dans le procédé (1); l’élaboration d’une méthode de mesure répétitive pour mesurer les paramètres clés d’ébullition identifiés (2); utilisation du dispositif expérimental pour mesurer le rôle de cinq ions présents dans l’eau industrielle sur sa capacité de refroidissement (3). Le deuxième chapitre de la thèse vise à déterminer l’impact des quatre principaux paramètres qui caractérisent la courbe d'ébullition (Tchf, Tleid, qfilm, qchf) sur trois problèmes importants qui diminuent le taux de recouvrement métallurgique pour la coulée semi-continue de l'aluminium. Une nouvelle approche, utilisant une analyse de sensibilité avec un modèle de transfert de chaleur par éléments finis non couplés a été utilisée. À partir des résultats de mesures effectuées avec un simulateur de refroidissement situé au Alcoa Technical Center (ATC), quatre courbes d'ébullition de référence ont été générées et insérées comme conditions aux limites dans le modèle numérique. Les valeurs des quatre principaux paramètres d'ébullition ont été modifiées individuellement en utilisant les courbes de référence. Cette approche a permis d’établir des corrélations démontrant l’influence des paramètres d’ébullition sur trois paramètres de sortie à l’intérieur de la simulation, qui sont sujets à diminuer le taux de recouvrement métallurgique. Le troisième chapitre de la thèse, présente la méthode et l’équipement de mesure qui ont été développés pour mesurer les paramètres clés d’ébullition identifiés par l’étude de sensibilité. Les résultats indiquent une amélioration significative de la répétitivité pour ce type de mesures. Par exemple, la température de Leidenfrost (Tleid) a été mesurée avec un écart type de 1,1 oC. D'après les connaissances de l'auteur, cet écart type est au moins cinq fois inférieur à la meilleure valeur publiée précédemment dans ce domaine. La courbe d’ébullition a été calculée à partir de la température mesurée près de la surface de l’échantillon, en utilisant la méthode numérique de spécification de fonctions séquentielles de Beck avec un flux de chaleur constant. L’optimisation de la précision pour cette méthode numérique a été accomplie en analysant l'effet du pas de temps adimensionnel et en sélectionnant un domaine géométrique approprié. Afin d'établir une valeur de référence pour qfilm, la morphologie du jet d'eau dans la zone d'impact a été visualisée. Une vidéographie à grande vitesse (5000 ips) et des images hautes définitions à environ 3 ips ont été utilisées pour comprendre la génération de vapeur ainsi que la structure du système liquide-vapeur dans la zone d'impact du jet d’eau. Finalement, le quatrième chapitre de la thèse explique les résultats obtenus avec la méthode et l’appareil de mesure proposée. Cinq ions (Mg2+, Na+, Ca2+, SO42-, Cl-) dissous dans l’eau distillée ont été utilisés pendant la campagne de mesure. Ces ions ont été sélectionnés, car ils sont inclus dans le suivi quotidien de la chimie de l'eau par les opérateurs. Deux principales corrélations ont été établies suite à la campagne de mesure: les trois paramètres clés d'ébullition (Tleid, qfilm, qchf) sont tous influencés par l'ajout de Mg2+ (1) et par l’interaction entre les ions de sulfate et calcium (2). Les détails de ces corrélations, qui varient en fonction des paramètres d'ébullition et de la concentration chimique des ions, sont présentés. L’interaction des ions de sulfate et de calcium a également été validée avec une eau de procédé échantillonnée en usine. Une résine ionique a été utilisée pour contrôler la concentration de sulfate initialement présente dans l’eau de procédé. Une étude a finalement été menée en microscopie électronique à balayage afin de comprendre les résultats obtenus. Il a été démontré que l'impact potentiel des constituants chimiques sur la capacité de refroidissement de l'eau réside dans leur capacité à former des composés chimiques peu solubles dans l'eau et précipitant sur la surface. Les dépôts solides en résultant forment de nouvelles cavités de nucléation actives qui favorisent ensuite la nucléation des bulles. Selon l’auteur, ce type d’analyse n’a pas été accomplie dans le passé pour la coulée semi-continue d’aluminium.