Добірка наукової літератури з теми "Refusion à l'arc sous vide (VAR)"

Le comportement de l'arc électrique dans le procédé de refusion var conditionne les distributions d'énergie et de courant électrique au sommet du lingot, ainsi que le transport des espèces volatiles dans la phase gazeuse. Une étude expérimentale de l'arc électrique est menée sur un four var industriel instrumenté, lors de la refusion d'un alliage de zirconium. Des observations par vidéo rapide synchronisées avec l'enregistrement à haute fréquence de la tension d'arc permettent de décrire le comportement de l'arc électrique et ses interactions avec les mécanismes de transfert des gouttes de métal liquide de l'électrode au lingot. Un diagnostic, résolu spatialement, du plasma d'arc par spectroscopie d'émission optique permet de déterminer la proportion relative et la température d'excitation des différentes espèces de particules composant le plasma. A partir des résultats expérimentaux obtenus et de l'analyse de la bibliographie relative aux arcs sous vide crées entre deux électrodes solides, nous proposons une démarche de modélisation de l'arc électrique, basée sur une représentation de l'arc comme un ensemble de clusters identiques et indépendants. Dans ce travail, nous nous focalisons sur la description d'un cluster unique, qui combine deux modèles : un modèle cinétique de la formation du plasma dans la région adjacente a la cathode et un modèle hydrodynamique bidimensionnel a deux fluides du jet de plasma en expansion sous vide dans l'espace interélectrode. Le modèle ainsi construit donne accès à la composition du plasma (degré d'ionisation, distribution du nombre de charge des ions) et permet de calculer les grandeurs macroscopiques (densité, vitesse et température) des différentes espèces du jet de plasma, ainsi que la densité de courant électrique et la densité de flux d'énergie cédées par le jet à l'anode. En particulier, le pourcentage de la puissance électrique du cluster transmis par le jet de plasma au bain liquide anodique, prédit par notre calcul (environ 24%), est en bon accord avec la valeur donnée dans la littérature.

La présente étude vise à améliorer notre connaissance de l'arc électrique établi dans le procédé de refusion à l'arc sous vide VAR, ainsi qu'à caractériser la fusion de la cathode dans ce procédé. La première étape consistait à observer, à l'aide d'un module expérimental, le comportement de l'arc électrique pendant la refusion d'alliages de zirconium, pour différentes conditions opératoires. Les observations par vidéo rapide ont mis en évidence l'influence de la forme de la base de la cathode et l'effet de l'application d'un champ magnétique externe sur le déplacement des clusters de spots cathodiques. Par ailleurs, les mesures par thermographie infrarouge montrent qualitativement que la hauteur de l'électrode affectée thermiquement par l'arc est très faible et dépend de la vitesse de fusion. La deuxième partie de ce travail a pour objectif le développement d'un modèle numérique pour représenter le déplacement des clusters à la base de la cathode. L'association de cette démarche et de la simulation du comportement du jet de plasma émis par un cluster isolé, mise au point précédemment au LSG2M, permet de calculer le profil de puissance électrique fournie au lingot VAR en fonction des conditions opératoires (intensité du courant, géométrie de l'électrode, champ magnétique externe). Dans une troisième étape, un modèle du comportement thermique de l'électrode consommable en cours de fusion a été développé dans une géométrie 2D axisymétrique. A partir des paramètres opératoires, il permet de prédire notamment la vitesse de fusion et l'évolution de la forme de la base de la cathode. Ce modèle a été validé globalement grâce à la simulation de trois refusions consécutives d'un alliage de zirconium, selon une gamme industrielle de production
The present study is aimed to improve our knowledge of the electric arc in the Vacuum Arc Remelting VAR process, as weil as characterize the cathode melting stage. The first step consisted in investigating, thanks to an experimental modulus, the behaviour of the electric arc during the remelting of zirconium alloys, for various operating conditions. High speed video camera observations have put in evidence the influence of the cathode tip shape and the effect of applying an external magnetic field on the movement of the clusters of cathode spots. Besides, infrared thermography measurements show qualitatively that the electrode height thermally affected by the arc is very sm ail and depends on the melt rate. The goal of the second part of this work is the development of a numerical model to simulate the motion of clusters of spots at the tip of the cathode. Coupling this approach with the simulation of the behaviour of a plasma jet emitted by a single cluster, previously established in LSG2M, enables calculating the power distribution at the VAR ingot top as a function of process parameters (current, electrode geometry and external magnetic field). Ln a third step, a thermal model of the consumable electrode during melting has been written, assuming a 2D axisymmetrical geometry. Using the operating parameters as model inputs, it predicts in particular the melting rate value and evolution of the cathode tip shape. The model was validated through simulating the three successive remeltings of a zirconium alloy, following an industrial processing route

Le titane contenu dans un acier maraging se combine avec l'azote résiduel pour former des inclusions de nitrure de titane (TiN), néfastes du point de vue des propriétés en fatigue de l'alliage. La compréhension de leur origine doit permettre de trouver les moyens de réduire leur taille. Des expériences de Sieverts ont été réalisées pour étudier d'un point de vue thermodynamique et cinétique les réactions de dénitruration de l'alliage et de précipitation des TiN. Au regard de ces expériences et des données thermodynamiques disponibles dans la littérature et compte-tenu des teneurs en azote résiduel, la formation des TiN est supposée avoir lieu lors de la solidification sous l’effet de la ségrégation interdendritique. Un certain nombre d'inclusions de TiN sont associées à un germe de type oxyde ou sulfure. L'observation au MET d'une de ces inclusions mixte révèle l'existence d’une relation d'orientation entre le nitrure TiN, un sulfure CaS et un spinelle MgAl2O4, ce qui suggère une croissance par épitaxie du TiN sur ces deux germes. L’étude a été complétée par des calculs ab initio d’énergies de surface et d’énergies d’adsorption. Ces travaux appuient l'hypothèse d'une germination hétérogène des nitrures de titane sur des particules préexistantes et stables dans l'acier liquide. Un modèle numérique de précipitation couplée à la ségrégation interdendritique a été développé puis intégré au logiciel SOLAR simulant la solidification du lingot VAR. Ces calculs quantifient l'influence déterminante sur la taille des plus grands nitrures de la teneur initiale en azote, de la densité de germes, et du temps local de solidification
The titanium contained in maraging steels combines itself with residual Nitrogen to form Titanium nitride precipitates (TiN), which are detrimental to fatigue properties. Understanding their formation may give some ways to reduce their sizes. A Sieverts apparatus was used to study denitriding reactions and precipitation reactions from a thermodynamic and kinetic point of view. According to these experiments, to thermodynamical data from literature, and to the Nitrogen content in the steel, the TiN inclusions are supposed to form during the solidification of the steel thanks to interdendritic segregation. A certain number of the TiN inclusions are found under SEM observations to be located next to another oxide or sulfur particle. A TEM observation reveals the existence of an orientation relationship between a nitride, a sulfur CaS and a spinel MgAl2O4. It suggests an epitaxial growth of the TiN on these two germs. This study was completed with ab initio calculations of surface energies and adsorption energies. This work supports the hypothesis of a heterogeneous nucleation of the Titanium nitrides on preexisting, stable particles in the liquid steel. A numerical model of the precipitation coupled to the interdendritic segregation of solutes is developed and introduced in the SOLAR software modelling the VAR ingot solidification. It evaluates the determinant influence of the initial Nitrogen mass fraction, germ number density and local solidification time on the TiN sizes

Le procédé de refusion à l'arc sous vide (Vacuum Arc Remelting ou VAR en anglais) est employé dans la production d'alliages métalliques à haute valeur ajoutée tels que les alliages de titane ou superalliages base nickel à destination de l'industrie aéronautique. La maîtrise des conditions de solidification constitue un enjeu industriel important pour obtenir des lingots d'une homogénéité chimique adéquate et dépourvus de défauts de solidification. Les travaux présentés dans ce document visent à améliorer la description des échanges thermiques dans un modèle du procédé VAR (SOLAR) et proposer une nouvelle approche pour la prédiction des défauts de solidification de type canaux ségrégés. Dans un premier temps, la description dans le modèle des échanges thermiques entre l'électrode, le lingot, la lingotière et le circuit de refroidissement a été améliorée. Les modifications ont fait l'objet de validation par comparaison des résultats numériques avec des mesures sur des refusions industrielles réelles. Un dispositif expérimental original de mesure de température à la paroi extérieure de la lingotière adapté aux refusions industrielles a été conçu et utilisé lors d'une campagne expérimentale sur site industriel lors de la refusion d'un alliage de titane. Les mesures obtenues ont été confrontées aux résultats numériques de SOLAR. Ces deux activités ont abouti à une première implémentation du phénomène de side-arcing dans le modèle. En parallèle, une approche numérique multi-échelle a été développée pour prédire la formation de canaux ségrégés en fonction des conditions locales de solidification. Une première étude sur un alliage Sn-Pb a été réalisée et un critère mathématique de prédiction a été calculé à partir des résultats. Cette première étude montre un impact du gradient thermique sur la formation de canaux ségrégés bien plus faible que celui généralement considéré dans la littérature
The Vacuum Arc Remelting (VAR) process is used in the production of high-added value metals such as titanium alloys or nickel-based superalloys for the aerospace industry. The control of solidification conditions is an important industrial issue in order to process ingots of adequate chemical homogeneity and free of solidification defects. The work presented in this manuscript aims at improving the description of heat exchanges in a VAR process model (SOLAR) and at proposing a new approach for the prediction of segregated channels type solidification defects. First, the description of the heat exchanges in the model between the electrode, the ingot, the mould and the cooling circuit has been improved. These modifications were validated by comparing the numerical results with measurements from real industrial melts. An original experimental apparatus for measuring the external mould temperature adapted to industrial melts was designed. This apparatus was used during an experimental campaign on an industrial site during the remelting of a titanium alloy. The measurements obtained were compared with the numerical results from SOLAR. These two activities led to a first implementation of the side-arcing phenomenon in the model. In parallel, a multi-scale numerical approach was developed to predict the formation of segregated channels as a function of local solidification conditions. A first study on a Sn-Pb alloy was carried out and a mathematical criterion was calculated from the results. This first study shows a much lower impact of the thermal gradient on the formation of segregated channels than that generally considered in the literature

Le procédé VAR (Vacuum Arc Remelting ou refusion à l'arc sous vide en français) est employé dans la production d'alliages à haute performance pour les industries aéronautique (aciers spéciaux, superalliages et alliages de titane) et nucléaire (alliage de zirconium). Comme pour tous les procédés de fonderie, la maîtrise de l'homogénéité chimique et de la structure métallurgique des lingots coulés par le procédé VAR constitue un enjeu industriel important. Les travaux présentés dans ce mémoire visent à identifier, pour les alliages de zirconium en particulier, les effets de la convection naturelle et de la convection forcée due au brassage électromagnétique sur la macroségrégation. Dans ce but, un modèle numérique a été développé. Il est basé sur la résolution couplée des équations de conservation d'énergie, de quantité de mouvement et de solutés, dans des conditions d'écoulement laminaire ou turbulent. La modélisation de la solidification tient compte du couplage fort entre le transport d'énergie et de solutés dans la zone pâteuse. Afin de décrire la microségrégation, la diffusion restreinte des solutés dans les phases liquides et solides peut être prise en compte. Parallèlement, deux électrodes chimiquement homogènes d'alliages Zircaloy-4 et M5® ont été spécialement refondues dans un four VAR industriel sur le site de CEZUS à Ugine (Savoie, France). La macroségrégation des lingots obtenus a été caractérisée.La comparaison entre les mesures expérimentales et les résultats de simulation a montré que pour un alliage dont l'intervalle de solidification est important (comme l'alliage Zircaloy-4), la convection solutale dans la zone pâteuse peut avoir une influence essentielle sur la macroségrégation de la région centrale du lingot. Par ailleurs, le mouvement de grains équiaxes lors de l'application d'un brassage électromagnétique de forte intensité semble accentuer significativement la macroségrégation dans la région externe du lingot. Pour un alliage dont l'intervalle de solidification est faible (comme l'alliage M5®), nous avons montré que la macroségrégation dépend plus spécifiquement de la convection forcée due au mode de brassage électromagnétique appliqué au cours de la refusion
Vacuum Arc Remelting (VAR) is used to produce high performance alloys for the aeronautic (special steels, superalloys, titanium alloys) and nuclear (zirconium alloys) industries. As for all casting processes, the control of the chemical homogeneity and the metallurgical structure in VAR ingots is an important industrial issue. The goal of this thesis is to identify, for zirconium alloys in particular, the effects of the natural convection and the forced convection due to the electromagnetic stirring on macrosegregation. To this purpose, a numerical model has been developed. It is based on the solution of the coupled transient energy, momentum and solute transport equations, under laminar or turbulent flow conditions. The solidification modeling accounts for a full coupling between energy and solute transport in the mushy zone. The finite diffusion of solutes in both solid and liquid phases can be taken into account to describe microsegregation. In addition, chemically homogeneous Zircaloy-4 and M5® electrodes have been specially remelted in an industrial VAR furnace at the CEZUS plant in Ugine (Savoie, France). The macrosegregation of the ingots has been measured. The comparison between the experimental measurements and the simulation results showed that for an alloy with a large solidification interval (like Zircaloy-4), the solutal convection in the mushy zone could have an essential influence on the macrosegregation in the inner part of the ingot. Furthermore, the motion of equiaxed grains caused by a strong stirring seems to seriously intensify macrosegregation in the outer part of the ingot. For an alloy with a small solidification interval (like M5®), we have shown that the macrosegregation depends more specifically on the forced convection due to the type of stirring applied during the remelting

L’objectif de ce travail est la modélisation mathématique et numérique du procédé de refusions à l'arc sous vide (VAR), dans le but d'optimiser la refusion d'alliages de titane chargés. En effet, l'intervalle de solidification important de ces alliages les rend sensibles à la formation de défauts de solidification liés à la circulation du liquide interdendritique. Dans le cadre de cette étude, des mesures effectuées par analyse thermique différentielle (ATD) ont permis de quantifier les intervalles de solidification de ces alliages de titane. Le modèle développé décrit les transferts couplés de chaleur, de soluté et de quantité de mouvement en écoulement turbulent, lors de la croissance et de la solidification du lingot VAR. Les transferts au sein de la zone pâteuse sont explicitement pris en compte, celle-ci étant assimilée à un milieu poreux. Le modèle relie directement les paramètres opératoires aux profils de puits liquide, à l'hydrodynamique du bain métallique (convection thermosolutale et forces électromagnétiques) ainsi qu'à l'intensité de la ségrégation dans le lingot. Les simulations effectuées concernent une fusion en four pilote d'un lingotin de titane marqué au cuivre, ainsi que deux fusions industrielles de [Bêta]Cez. Elles ont permis de mettre en évidence l'effet du brassage électromagnétique sur l'écoulement complexe du métal liquide. La prise en compte des transferts au sein de la zone pâteuse permet également de mieux comprendre les phénomènes à l'origine de la macroségrégation. Il apparait que les conditions de brassage des fusions de [Bêta]Cez simulées ont une influence considérable sur l'intensité de la macroségrégation, et donc sur le risque d'apparition de défauts de solidification. Le mécanisme de formation de défauts du type canaux ségrégés, a également été mis en évidence. Dans le cas du [Bêta]Cez, il a été attribué à la convection solutale ascendante de métal liquide fortement appauvri en molybdène. Le modèle peut ainsi être utilisé avec profit afin de choisir les conditions de fusion permettant de minimiser la macroségrégation et donc le risque de formation de défauts

Certains défauts fort préjudiciables appelés " white spots " peuvent se former lors de la refusion de l'alliage 718. Appauvris en éléments d'alliage, ils proviennent probablement de la chute de précurseurs solides dans le puits liquide. Tout d'abord, un modèle simulant la refusion, basé sur le logiciel SOLAR, a été adapté au cas de l'alliage 718 et validé en comparant les résultats de simulations avec les observations réalisées sur un lingot refondu. La caractérisation d'électrodes et de lingots a permis de montrer que des dendrites de taille importante, présentes dans l'électrode, peuvent être à l'origine de white spots dendritiques. Cette étude apporte également une détermination quantitative des principales caractéristiques des trois sources de précurseurs de white spots discrets (bourrelet de l'électrode, " shelf " et collerette) en termes de structure, de composition et de taille. Des expériences dites de " trempage " de précurseurs synthétiques de white spots discrets permettent de mesurer directement la cinétique de leur fusion. Ces résultats valident qualitativement un modèle numérique décrivant le processus de fusion/solidification d'une particule sphérique dans un bain liquide métallique. Enfin, le comportement d'un précurseur de white spot discret dans le puits liquide d'un lingot VAR est déterminé en couplant le modèle de changement de phases au calcul de la trajectoire du précurseur. Le comportement hydrodynamique et thermique du puits est calculé par SOLAR et les caractéristiques des origines potentielles de précurseurs sont prises en compte comme données d'entrée. Le modèle global détermine ainsi pour chaque origine la taille initiale critique d'un précurseur conduisant à la formation d'un white spot. Cette étude permet de conclure que la probabilité de former des défauts à partir de précurseurs provenant de l'électrode est assez faible, tandis que la " shelf " et la collerette sont probablement des sources importantes de white spots discrets
Some very detrimental defects, called white spots, can form during the remelting of Alloy 718. Depleted in alloying elements, they are supposed to be generated by the fall of solid metallic precursors in the liquid pool. In a first step, a model aimed to simulate the remelting process, based on the SOLAR software, has been adapted to the remelting of Alloy 718, then validated by comparison between the simulation results and experimental observations of a remelted ingot. The characterization of electrodes and ingots has shown that large dendrites in the electrode could be the origin of dendritic white spots. This study also determines quantitatively the main characteristics of the three possible sources of discrete white spot precursors (electrode torus, shelf and crown) in terms of structure, composition and size. “Dipping” experiments of synthetic discrete white spots precursors allow a direct measurement of their melting kinetics. These results qualitatively validate a numerical model which describes the melting/solidification process of a spherical particle immerged in a liquid metal bath. Last, the behaviour of a discrete white spot in the liquid pool of a VAR ingot is determined through coupling the phase change model to a calculation of the precursor trajectory. The hydrodynamic and thermal behaviour of the liquid pool is calculated by SOLAR and the characteristics of each of the potential precursor origins are taken into account as input data. The overall model computes, for each origin, a precursor critical size leading to the formation of a white spot

La maitrise de la composition et de la ségrégation chimique est essentielle lors de l’élaboration de matériaux à forte valeur ajoutée, comme les alliages de zirconium à destination de l’industrie nucléaire. L’élaboration sous vide permet d’obtenir des lingots d’une très grande pureté mais elle présente aussi une contrainte supplémentaire concernant la maitrise de la teneur en éléments d’alliage volatiles. Les travaux présentés dans ce document visent à améliorer la prédiction de la cinétique d’appauvrissement en espèces métalliques volatiles lors de l’élaboration sous vide et en particulier lors de la refusion VAR (Vacuum Arc Remelting ou refusion à l’arc sous vide) du Zircaloy-4, un alliage de Zr. Dans un premier temps, nous étudions la cinétique d’évaporation et l’expansion de la vapeur métallique produite lors de la fusion sous vide. L’étude est effectuée par une combinaison d’expériences en four à bombardement électronique et de la simulation numérique du comportement de la vapeur par une méthode particulaire (FPM). Nos études sur l’évaporation de métaux purs, Ti et Zr, montrent l’importance des collisions au-dessus du liquide sur l’expansion de la vapeur et sa recondensation. La caractérisation de l’expansion de la vapeur de Fe et Sn lors de la fusion sous vide de Zy4, combinée à la simulation particulaire, nous a permis de déterminer la valeur des coefficients d’activité thermodynamique de ces éléments dans le Zy4 liquide. Dans un second temps, nous présentons la simulation de l’expansion de la vapeur métallique dans les conditions du procédé VAR en nous intéressant particulièrement aux flux de condensation sur les différentes surfaces. L’application de ce modèle au Zircaloy-4 montre que la composition du dépôt sur la paroi interne de la lingotière est très différente de celle de l’alliage. Enfin, le modèle particulaire est couplé à une modélisation de la croissance du lingot et nous étudions l’influence de l’évaporation, condensation et réincorporation de la collerette sur la composition et la ségrégation des éléments d’alliage volatils. Le couplage offre aussi une première prédiction de l’épaisseur et de la composition de la collerette que nous comparons pour la refusion du Zyrcalloy-4 avec des prélèvements industriels
Composition and chemical segregation control is primordial when producing high value-added materials, such as zirconium alloys for nuclear industry. Vacuum processing allows production very high purity ingot, however it also presents an additional problematic concerning control and prediction of alloy elements evaporation. This PhD dissertation aims at improving prediction of volatile metallic species evaporation during vacuum elaboration, especially during Zircaloy 4 VAR (Vacuum Arc Remelting).First, the evaporation kinetics and the expansion of the metal vapour produced during vacuum melting is investigated. The study is done with a combination of volatilisation experiments using an experimental electron beam furnace and particle based numerical simulation (FPM) of vapour behaviour. Our volatilisation studies on pure metals, Ti and Zr, show the importance of collisions above the liquid on the vapour expansion and its recondensation. Determination of Fe and Sn vapour expansion during Zy4 vacuum melting combined with particle simulation, allowed us to determine thermodynamic activity coefficients values for these elements in liquid Zy4.Then, metallic vapour expansion under VAR conditions is studied, with particular interest shown to condensation flows on the different surfaces. Application of our numerical model to Zy4 shows that the vapour deposited on the mould has a very different composition compared to the alloy. Finally, the particle model is coupled to an ingot growth model and we study the influence of evaporation, condensation and crown reincorporation with regard to volatile solute segregation and depletion. This coupling also provides a first prediction of crown thickness and composition and we compare them to industrial crown samples

L’apparition d’inclusions exogènes demeure un problème majeur pour les élaborateurs de titane. Afin d’améliorer la propreté inclusionnaire des lingots élaborés par le procédé de refusion à l’arc sous vide (Vacuum Arc Remelting), une étude numérique et expérimentale a été réalisée. La partie numérique de la thèse consiste à modéliser le comportement d’un défaut hard-α provenant de l’électrode consommable et tombant dans le puits liquide du lingot. Un modèle décrivant le processus de dissolution prédit l’évolution de la taille d’une inclusion durant son séjour dans le puits liquide. La trajectoire est déterminée à l’aide d’un modèle lagrangien tenant compte de la turbulence de l’écoulement en modifiant le coefficient de trainée. Les deux modèles ont été couplés et implémentés dans le logiciel SOLAR, qui simule la croissance d’un lingot VAR.Les résultats mettent en évidence la difficulté d’éliminer une inclusion hard-α avec une seule refusion, principalement à cause de la croissance d’une couche de phase β pendant les premiers moments de l’immersion. Le comportement global du défaut dépend fortement de l’hydrodynamique du puits et des caractéristiques de l’inclusion.Pour étudier la dissolution expérimentalement, des défautssynthétiques (hard-α et HDI) ont été immergés dans un bain de titane liquide chauffé dans un four à bombardement électronique. Les vitesses de dissolution ont été déterminées en mesurant les dimensions des défauts avant et après les expériences et ont été ensuite utilisées pour valider les modèles numériques. Par ailleurs, nous avons mis en évidence la grande influence de la température et de la vitesse de l’écoulement sur les cinétiques de dissolution
The presence of exogeneous inclusions has always been a major concern for the titanium industry. To help improve the inclusional cleanliness of VAR (Vacuum Arc Remelting) titanium ingots, a numerical and experimental study was undertaken.The numerical model is capable of predicting the motion and dissolution of a hard-α defect falling from the electrode tip into the ingot melt pool during vacuum arc remelting. It is implemented in SOLAR, a CFD code that simulates the ingot growth and solidification. The dissolution of the inclusion is governed by nitrogen diffusion from the defect towards the surrounding molten metal. A model describing this phenomenon predicts the particle size evolution and the nitrogen profile at each moment. The motion of the spherical particle is tracked using a Lagrangian model and the influence of turbulence is accounted for by a modification of the drag coefficient.Results show that inclusion removal is difficult with a single melt since the growth of a β-phase layer leads to an initial increase in the defect size. The inclusion behaviour is highly dependent on the pool hydrodynamics and on inclusion characteristics.In order to clarify dissolution aspects of these defects and to measure their dissolution kinetics, synthetically processed defects were introduced into molten titanium heated in an electron beam melting furnace. Dissolution rates were calculated by measuring the size of the defects before and after the experiments and the results were used to validate the numerical models. Furthermore, the experiments show that dissolution kinetics highly depend on fluid motion and temperature