Equipe Procédés d'Elaboration
Interaction de gouttes fondues avec un bain de métal (acier maraging) liquide, visualisée par caméra HD dans l’installation de fusion par bombardement électronique
Simulation numérique d’une couche limite turbulente avec forçage dans la zone externe
Grains de fer issus de la réduction du minerai par H2
Dernières publications
- Primary and secondary breakup of molten Ti64 in an EIGA atomizer for metal powder production
Baraa Qaddah, Pierre Chapelle, Jean-Pierre Bellot, Julien Jourdan, Gagan Kewalramani, Agathe Deborde, Raphael Hammes, Nicolas Rimbert
Powder Technology, 2024, 438, pp.119665. ⟨10.1016/j.powtec.2024.119665⟩ - Investigating Chemical Heterogeneity in Inclusion Populations: A Multivariate Population Balance Model Study in Gas-Stirred Ladles
Ashok Das, Jean-Sébastien Kroll-Rabotin, Thibault Quatravaux, Jean-Pierre Bellot
Industrial and engineering chemistry research, 2023, 62 (48), pp.20789-20801. ⟨10.1021/acs.iecr.3c02673⟩ - Role of Flow Inertia in Aggregate Restructuring and Breakage at Finite Reynolds Numbers
Akash Saxena, Jean-Sébastien Kroll-Rabotin, R. Sean Sanders
Langmuir, 2023, ⟨10.1021/acs.langmuir.3c01012⟩
Présentation
La spécialité de l’équipe est le génie des procédés d’élaboration des matériaux métalliques. C’est une démarche originale de type "procédé" dans la communauté scientifique et industrielle "matériaux". Elle fait appel à des compétences complémentaires dans les domaines de la thermodynamique, des phénomènes de transport, de la mécanique des milieux continus et des techniques de simulation numérique. Un point commun à tous les travaux de l’équipe est l'étude théorique ou / et expérimentale des transferts couplés (écoulement, transferts de matière et de chaleur).
L’équipe a particulièrement développé la modélisation mathématique et la simulation numérique des procédés pyrométallurgiques. Grâce au développement permanent des méthodes de résolution numérique, la recherche en modélisation et simulation des matériaux et procédés s'est développée spectaculairement, conduisant à de véritables outils scientifiques (multi-échelles, multi-physiques).
L’équipe ne néglige pas pour autant la composante expérimentale, nécessaire pour :
- l'étude des processus physiques et chimiques élémentaires mis en jeu dans les opérations d’élaboration et de traitement
- la validation des modèles numériques par des expériences de laboratoire, sur des procédés pilotes et sur les installations de production.
L’expérimentation en "vraie grandeur", sur site industriel, est souvent une originalité de son approche.
Une grande partie de ces études est réalisée en collaboration avec les industriels utilisateurs des procédés d’élaboration pyrométallurgique. Leur cadre est généralement celui de thèses de Doctorat.
L’équipe abrite la chaire industrielle « Métallurgie du Métal Liquide », créée en 2019 à l’Université de Lorraine et financée par les collectivités locales et par un consortium de 5 entreprises : ArcelorMittal, Aperam, Eramet-A&D, Safran et Vallourec.
Thématiques de recherche
Procédés de fusion et de refusion
L’équipe est depuis près de 30 ans un des leaders académiques au niveau international pour la compréhension du fonctionnement des procédés de fusion et refusion d’alliages métalliques (titane, zirconium, aciers maraging, superalliages base Ni) et leur optimisation, en particulier via la modélisation numérique. La fusion à l’arc sous vide VAR, la refusion sous laitier ESR, la fusion « skull melting » VASM, l’élaboration par plasma PAM ou bombardement électronique EBM, font l’objet de multiples doctorats en collaboration avec les partenaires industriels français (Eramet, Safran, Timet Savoie, Framatome et Aperam).
Chercheurs permanents :
Alain Jardy, Jean-Pierre Bellot, Pierre Chapelle, Thibault Quatravaux
Congrès :
Liquid Metal Processing and Casting LMPC, tous les 2 ans, alternativement aux Etats-Unis et en Europe
Thèses :
5 doctorats CIFRE et 1 stage post-doc en cours en 2020, Léa Décultot, Rayan Bhar, Jérémy Chaulet, Jérémie Haag, Thomas Poullain, Julien Banos
Articles :
- On the modelling of thermal radiation at the top surface of a vacuum arc remelting ingot, Met. Trans. B 2018, 49, 958-968, Delzant et al.
- A 2D multiphase model of drop behavior during Electroslag Remelting, Metals 2020, 10, 490, Chaulet et al.
Réduction des émissions de CO2 de la sidérurgie
L’industrie sidérurgique est actuellement responsable d’environ 7% des émissions mondiales de CO2 d’origine anthropique. L’équipe explore différents procédés alternatifs à la filière classique haut fourneau-convertisseur :
- la réduction dite directe du minerai de fer par un syngaz H2-CO qui divise ces émissions par deux ;
- la réduction directe par H2 pur qui les réduirait de 80% ;
- un procédé en rupture, la réduction par la biomasse en four à cuve avec recyclage.
Chercheurs permanents :
Fabrice Patisson, Olivier Mirgaux
Projet :
PIA Valorco, 2014-2019
Thèse :
Labex DAMAS 2019-2022, Tao WANG
Articles :
- Detailed modeling of the direct reduction of iron ore in a shaft furnace, Materials 2018, 11, 1865, Hamadeh et al.
- Carbon impact mitigation of the iron ore direct reduction process through computer-aided optimization and design changes, Metals 2020, 10, 367, Béchara et al.
Comportement inclusionnaire dans les métaux liquides
Dans un réacteur métallurgique (poche de traitement d’acier, installation d’affinage d’aluminium), les réactions physiques et chimiques conduisent à une évolution de la population inclusionnaire responsable de la propreté des produits. L’équipe associe simulations CFD à l’échelle du procédé et compréhension des interactions physiques réelles aux échelles locales : mécanismes d’agrégation, de déposition et de capture aux interfaces.
Chercheurs permanents :
Jean-Pierre Bellot, Jean-Sébastien Kroll-Rabotin, Thibault Quatravaux
Projet :
ANR-DFG Flotinc 2016-2019
Thèses :
- CIFRE Affival 2016-2019, Edgar CASTRO CEDENO
- ANR Flotinc 2016-2019, Mathieu GISSELBRECHT
- LabEx DAMAS 2016-2019, Manoj JOISHI
Articles :
- Toward better control of inclusion cleanliness in a gas stirred ladle using multiscale numerical modeling, Materials 2018, 11, 1179, Bellot et al.
- Numerical simulation of modification of non-metallic inclusions by calcium treatment in the argon-stirred ladle, Met. Res. Tech. 2019, 116, Castro et al.
Impacts environnementaux
Que ce soit pour réduire les impacts sur l’environnement de procédés d’élaboration existants ou pour en concevoir de nouveaux, une méthodologie rigoureuse d’évaluation environnementale globale est nécessaire. L’équipe a mis au point une approche originale, combinant modélisation systémique des procédés et Analyse du Cycle de Vie (ACV) des produits, des procédés et des filières. La qualité de l’inventaire de l’ACV issu des modèles systémiques est garantie.
Applications récentes :
- Comparaison énergétique et environnementale de procédés de cogénération chaleur-électricité à partir de biomasse ;
- Evaluation comparée de procédés de capture de CO2 de fumées d’une centrale à charbon.
Chercheurs permanents :
Olivier Mirgaux, Fabrice Patisson
Projet :
Pacte Lorraine CTSA, 2016-19
Thèse :
CNRS-Région 2016-2019, Hélène ANSELMI
Articles :
- From trees to electricity, the physics beyond the LCA, Materiaux et Techniques 2016, 104-106, 1179, Mirgaux et al.
- Simulation of post-combustion CO2 capture, a comparison among absorption, adsorption and membranes, Chem. Eng. Technol. 2019, 42, 797-804, Anselmi et al.
Arcs électriques sous vide
L'objectif de ces études est de contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes régissant le comportement des arcs sous vide, pour améliorer la maîtrise des dispositifs dans lesquels ces arcs sont utilisés. S'appuyant sur des études à caractère expérimental et des approches de modélisation et de simulation, les travaux sont axés sur la caractérisation des différents régimes de fonctionnement de l'arc, l'analyse de la dynamique de l'arc et la modélisation du plasma d'arc et des interactions arc-électrodes. Une des originalités de ces travaux tient en particulier à la réalisation d'observations et de mesures sur les sites industriels concernés.
Chercheurs permanents :
Pierre Chapelle, Alain Jardy
Thèses :
- CIFRE Timet Savoie 2015-2018, Pierre-Olivier DELZANT
- Supergrid Institute 2015-2018, Benoît TEZENAS DU MONTCEL
Articles :
- Numerical study of the current constriction in a vacuum arc at large contact gap, IEEE Trans. Plasma Sci. 2019, 47, 2765-2774, Tezenas du Montcel et al.
- Investigation of arc dynamics during vacuum arc remelting of a Ti64 alloy using a photodiode based instrumentation, Jl. Mat. Proc. Tech. 2019, 266, 10-18, Delzant et al.
Savoir-faire
Modélisation mathématique et simulation numérique
- Logiciels « maison » dédiés à la simulation de procédés d’élaboration (Solar, Reductor, Flua, DissolFil, etc.)
- Méthode des volumes finis pour la modélisation des écoulements et des transferts couplés
- Méthode de Boltzmann sur réseau et méthode des frontières immergées pour la simulation du comportement inclusionnaire
- Développements sous code généraliste – Ansys Fluent, Comsol, OpenFoam, Aspen Plus, GaBi, Factsage
Elaboration du métal liquide
- Four à induction sous vide (puissance 50 kW) instrumenté pour la fusion de métaux et alliages jusqu’à 1650 °C, avec utilisation éventuelle d’un suscepteur en graphite
- Installation de fusion et semi-lévitation en creuset froid sectorisé (puissance 200 kW) dédiée aux métaux réactifs (Ti, Zr), ou aux élaborations sans contact avec un creuset réfractaire
- Four de fusion par bombardement électronique sous vide (10-5 - 10-4 mbar) de laboratoire (1 canon, Pmax = 100 kW) pour l’élaboration de lingotins et les études batch, en configuration drip-melting ou en interposant un creuset à surverse
Réactions gaz/solide
- Parc de thermobalances pour les expériences de thermogravimétrie (de l’ambiante à 2400 °C, sous gaz inertes, gaz réactifs, H2, CO2, CO, H2O)
- Analyse thermique différentielle
Caractérisations physico-chimiques
- Chromatographie en phase gazeuse
- Spectrométrie de masse
- Absorption infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)
- Analyse carbone et soufre des solides, du ppm à 100%
- Spectroscopie à décharge luminescente
- Technique de Sieverts
- Vidéo HD et ultra-rapide
- Thermographie infrarouge
Transfert technologique
Création en 2018, par un ancien post-doctorant de l’équipe, de la société O2M Solutions, qui apporte son expertise dans les domaines du calcul haute performance, de la modélisation numérique et d'OpenFOAM®
Membres
Chercheurs CNRS
- Pierre CHAPELLE
Enseignants-Chercheurs
- Jean-Pierre BELLOT
- Jean-Sébastien KROLL-RABOTIN
- Olivier MIRGAUX
Chaires
- Thibault QUATRAVAUX
- Isnaldi RODRIGUES DE SOUZA FILHO
Personnels d'appui à la recherche
- Julien JOURDAN
- Jean-Baptiste LETZ
- Jonathan MARTENS
Doctorants
- Widad AYADH
- Hamid BELLACHE
- Rabeb BEN HASSINE
- Soraya DOUMANDJI
- Ifzal HUSSAIN
- Antoine MARSIGNY
- Mariana MAYER GRIGOLETO
- Nicolas STANKOVIC
- Hervé STROZYK
Emerites
- Fabrice PATISSON
Publications
Contact
Responsable d'équipe
Thibault QUATRAVAUX
thibault.quatravaux@univ-lorraine.fr
+33 (0) 3 72 74 29 00
Nancy-Artem
Institut Jean Lamour
Campus Artem
2 allée André Guinier - BP 50840
54011 NANCY Cedex