Soutenance mémoire
Contexte
L’élaboration de l’acier
L’acier est un alliage fer-carbone avec une proportion de carbone inférieure à 2% massique. Il existe deux grandes filières d’élaboration de l’acier, une filière dite fonte à partir du minerai de fer et une filière dite ferrailles à partir du recyclage des déchets ferrailles . Ces deux voies sont représentées ici par commodité sur le même schéma . Dans le cas de la filière fonte, on trouve successivement l’usine à fonte, l’aciérie, la coulée continue et le laminage à chaud. L’aciérie comprend (i) une étape de métallurgie primaire réalisée dans un convertisseur (où on transforme la fonte liquide issue du haut-fourneau en fer liquide presque pur) et (ii) une étape de métallurgie secondaire , qui permet de passer du fer presque pur à l’acier ayant la pureté optimale (élimination d’impuretés) et la composition recherchée (par addition d’éléments d’alliage). Dans le cas de la filière ferrailles, il n’y a pas d’usine à fonte et l’étape de métallurgie primaire de l’aciérie consiste en une fusion des ferrailles en four électrique. Le contexte particulier de notre étude est la métallurgie secondaire appelée également métallurgie en poche. Le métal liquide sortant du convertisseur ou du four électrique est affiné en poche chauffante (APC). A ce stade on réalise la désoxydation du métal, son réchauffage pour le maintenir à une température suffisante avant la coulée et une grande partie des additions pour la mise à nuance. Le métal subit ensuite un traitement sous vide, qui peut être réalisé par dégazage RH ou par un traitement en cuve. L’opération de dégazage permet d’éliminer les éléments gazeux dissous (azote, oxygène, hydrogène), de désulfurer l’acier et a aussi comme effet l’élimination d’une grande partie des inclusions, des impuretés solides ou liquides en suspension dans l’acier liquide. Cette opération est suivie, dans certain cas, d’une phase de brassage-décantation permettant de prolonger l’élimination des inclusions.
La propreté inclusionnaire
L’état inclusionnaire demeure un critère de qualité essentiel des aciers, et les exigences associées sont de plus en plus sévères au fur et à mesure que les objectifs d’allègement des structures, de performance des produits et de réduction des coûts de production sont poursuivis. Dans le cas spécifique des aciers spéciaux faiblement alliés (qui intéresse le projet CIREM), la maîtrise de l’état inclusionnaire (en termes de densité, de taille et de composition d’inclusions) représente un enjeu majeur pour les élaborateurs qui souhaitent (i) augmenter les caractéristiques mécaniques de leurs aciers spéciaux dans le but d’alléger les pièces dédiées en particulier au marché de l’automobile, (ii) optimiser les propriétés de tenue en fatigue, (iii) réduire l’occurrence des agrégats inclusionnaires provoquant l’apparition de défauts exfoliés sur les tôles d’acier, (iv) améliorer l’usinabilité des pièces pour des raisons de coût de production et (v) pour certaines nuances d’aciers spéciaux, atteindre la propreté inclusionnaire visée sans avoir recours aux opérations coûteuses de refusion d’électrode consommable.
Les opérations de traitement du métal liquide en poche génèrent, mais aussi éliminent, la plupart des inclusions d’oxydes : la poche est le réacteur métallurgique principalement responsable de la propreté inclusionnaire, même si les opérations de transport dans le répartiteur ou de solidification peuvent encore modifier cette propreté.
Dans le cas des aciers spéciaux faiblement alliés, les inclusions endogènes appartiennent typiquement au système Si-Ca-Al-Mg-O et ont une taille le plus souvent inférieure à 20µm .
Le procédé de traitement en poche des aciers
Un procédé pluridisciplinaire et multi-échelle
Le traitement en cuve de l’acier se situe juste avant la coulée de l’acier.
La poche est remplie de métal liquide au-dessus duquel surnage un mélange d’oxydes moins dense nommé laitier. Un système de mise sous vide et des capteurs de température et de composition chimique permettent de contrôler les conditions à l’intérieur de la poche, siège des réactions métallurgiques. Une rectification de la nuance du métal liquide peut aussi être effectuée par l’ajout d’éléments grâce à une trémie d’addition ou par l’intermédiaire de fils fourrés qui sont guidés directement dans le bain de métal. L’homogénéisation et le brassage du métal liquide sont assurés par la présence d’un (ou de plusieurs) bouchons poreux situés au fond de la poche du réacteur. Un gaz neutre (type argon ou azote) est injecté à travers les bouchons poreux dans le bain de métal liquide et génère des bulles de gaz au sein du métal liquide. En remontant à la surface du bain, les bulles produisent une agitation mécanique importante qui crée un écoulement turbulent liquide/bulles. Les inclusions se forment dans le bain de métal liquide et sont transportées du cœur du réacteur à l’interface métal liquide/laitier par les structures turbulentes présentes dans le mélange bulles/liquide.
Par sa complexité, le traitement en poche des aciers se situe à l’intersection de plusieurs disciplines scientifiques qui se retrouvent couplées entre elles à des échelles parfois très différentes. L’échelle macroscopique du réacteur (de l’ordre du mètre) peut être mise en regard avec l’échelle de la bulle de gaz (où se déroulent des phénomènes de coalescence, croissance et fragmentation) ou encore avec l’échelle de l’inclusion (où se déroulent la germination, la croissance et la capture aux interfaces). Du point de vue des disciplines mises en jeu, les caractéristiques thermodynamiques du système métal/laitier/inclusions impactent fortement la nature chimique, la densité numérale, la morphologie et la distribution en taille des inclusions formées. Or, la connaissance de l’état d’équilibre thermodynamique complet et des cinétiques de formation/réaction aux températures élevées de travail du réacteur est nécessaire mais non suffisante pour prédire l’équilibre local en tout point du bain. En effet, celui-ci peut, (par effet de ségrégation, de proximité d’une surface de réfractaire…), être très différent en composition, température et concentration d’inclusions que la moyenne du réacteur. De plus, le transfert de matière à l’interface métal liquide/laitier peut aussi induire une baisse locale de la concentration en certains éléments.
La problématique d’homogénéité du réacteur, notamment du point de vue de la dispersion inclusionnaire, nécessite la connaissance fine de l’écoulement complexe au sein du réacteur. Or, l’écoulement du système triphasique métal liquide/inclusions/bulles dépend notamment du mouvement des bulles de gaz, leur distribution en taille et leur concentration. À débit important d’argon, les bulles vont être à l’origine du brassage de la cuve. Le panache turbulent des bulles doit donc être décrit à l’échelle du réacteur tandis que les interactions avec les inclusions se déroulent à l’échelle de celles-ci.
On comprend que la description de l’écoulement dans le but d’étudier la dispersion des inclusions est un problème complexe puisque le mouvement des inclusions dispersées dans le bain de métal liquide est conditionné par les interactions multiples avec les bulles de gaz, les parois du réacteur et le laitier de couverture, ainsi qu’avec les inclusions elles-mêmes (collision, agglomération). Ces interactions dépendent en outre fortement de la physico-chimie des interfaces mises en jeu (gaz/liquide/solide).
La modélisation du procédé
Aujourd’hui, la description du traitement en poche des aciers passe par un cadrage thermodynamique et physico chimique du système à l’aide de travaux expérimentaux ou numériques qui peuvent ensuite être intégrés à des modèles de simulation des procédés. En effet, les hautes températures atteintes, les dimensions des dispositifs industriels et le couplage fort entre les mécanismes physico-chimiques mis en jeu ne permettent pas à des études uniquement expérimentales d’aboutir. Par nécessité de simplification des modèles, du fait de la complexité des phénomènes et des besoins très importants en temps de calcul qui en découlent, la description détaillée de chaque mécanisme ne peut être implémentée dans un modèle complet à l’échelle du réacteur.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 Introduction
1.1 Contexte
1.1.1 L’élaboration de l’acier
1.1.2 La propreté inclusionnaire
1.1.3 Le procédé de traitement en poche des aciers
1.2 Projet CIREM2
1.3 Démarche adoptée dans cette étude
1.3.1 Aérosols et hydrosols
1.3.2 Notre approche
1.3.3 Organisation du mémoire
Chapitre 2 Équations de transport et mécanismes de dépôt
2.1 Couplage fluide/particule
2.2 Différentes échelles de temps et d’espace
2.2.1 L’écoulement porteur
2.2.2 Temps de relaxation de la particule et nombre de Stokes
2.3 Phase porteuse : équation de Navier Stokes
2.4 Suivi lagrangien : équation de la dynamique des particules
2.4.1 Équation de la dynamique de particules isolées dans un fluide infini
2.4.2 Forces en volume
2.4.3 Forces hydrodynamiques
2.5 Choix des forces pour l’étude d’une particule isolée dans un fluide infini
2.6 Dépôt de particules
2.6.1 Mécanismes de dépôt
2.6.2 Modèle semi-empirique de Wood pour les aérosols
2.6.3 Modèles physiques du dépôt de particules inertielles
Chapitre 3 Dépôt turbulent en canal plan
3.1 Description de la configuration étudiée
3.2 Présentation du modèle de Cleaver et Yates
3.2.1 Écoulement turbulent en proche paroi solide
3.2.2 Approche d’Ahmadi : Modèle de Cleaver et Yates
3.3 Description du modèle utilisé
3.3.1 Modélisation du champ fluide
3.3.2 Suivi lagrangien des particules et évaluation du flux déposé
3.4 Cas de l’aérosol et validation du code
3.5 Cas de l’hydrosol
3.5.1 Mécanismes de capture
3.5.2 Effets de la lubrification
3.6 Résumé
Chapitre 4 Dépôt de particules sur une surface libre
4.1 Description de la configuration étudiée
4.2 Méthode numérique de résolution de l’équation de Navier Stokes
4.2.1 Différents choix possibles
4.2.2 Présentation de la méthode choisie pour la résolution du champ fluide
4.2.3 Méthode de calcul des moyennes temporelles et spatiales
4.3 Présentation de la phase fluide
4.3.1 Configuration étudiée
4.3.2 Validation de l’écoulement fluide
4.3.3 Caractéristiques de la phase fluide
4.4 Suivi Lagrangien
4.4.1 Couplage entre la phase fluide et la phase dispersée
4.4.2 Moyennes temporelles et spatiales conditionnées par la présence des particules solides
4.5 Étude du dépôt de particules non soumises aux effets de la gravité
4.5.1 Caractéristiques des simulations
4.5.2 Influence de l’inertie sur la vitesse de dépôt des particules
4.5.3 Influence de l’intensité turbulente de l’écoulement sur la vitesse de dépôt des particules
4.5.4 Nombre de Reynolds particulaire
4.5.5 Évolution de la concentration en inclusions à l’approche de la surface libre
4.5.6 Évaluation de la direction des particules
4.5.7 Variances de la vitesse du fluide et des particules
4.5.8 Étude qualitative du poids des différentes forces
4.5.9 Dispersion et coefficient de dispersion des particules
4.6 Étude du dépôt de particules soumises à la sédimentation
4.6.1 Influence de la sédimentation sur la vitesse de dépôt
4.6.2 Nombre de Reynolds particulaire
4.6.3 Concentration des particules
4.6.4 Variance de la vitesse des particules et de la vitesse du fluide vu
4.6.5 Poids des forces dans le mouvement des particules
4.6.6 Dispersion et décorrélation temporelle des particules
4.7 Étude du dépôt de particules soumises aux effets de la lubrification
4.7.1 En l’absence de sédimentation
4.7.2 Avec sédimentation
4.8 Résumé
Conclusion
Bibliographie
Annexes
