Equipe Procédés d'Elaboration

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.

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, P_max = 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®

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
• Antoine MARSIGNY
• Nicolas STANKOVIC
• Hervé STROZYK

Post-doctorants et CDD

• Svetlana TSAREVA

Emerites

• Fabrice PATISSON