Optimisation des Procédés d'Elaboration par Refusion (Arc-Slag) – OPERAS

Le projet OPERAS a pour objectif le développement de modèles numériques des procédés ESR (Electro Slag Remelting = Refusion sous laitier électroconducteur) et VAR (Vacuum Arc Remelting = Refusion à l'arc sous vide). Ces deux procédés sont basés sur la refusion d'une électrode consommable à la nuance et la solidification du lingot constitué par le métal refondu. Ils sont utilisés pour élaborer des matériaux à très haute valeur ajoutée pour des applications critiques dans des domaines tels que l'énergie, l'aéronautique ou le nucléaire. Trois entreprises qui utilisent les procédés de refusion ont décidé de s'allier avec le LSG2M (Laboratoire de Science et Génie des Matériaux et de Métallurgie à l'Ecole des Mines de Nancy) pour permettre la mise au point de modèles complets et validés de ces procédés : - Aubert&Duval, qui appartient au groupe ERAMET, élabore des aciers et superalliages, - CEZUS (groupe AREVA) élabore des alliages de zirconium, - TIMET Savoie, filiale française du groupe TIMET, élabore des alliages de titane. L'équipe « Procédés d'Elaboration » développe régulièrement des modèles numériques, en particulier pour les procédés ESR et VAR. En effet, la modélisation mathématique et la simulation numérique présentent un grand intérêt pour les élaborateurs, puisque les études expérimentales sur installations industrielles sont extrêmement coûteuses et particulièrement difficiles à réaliser. L'utilisation de la modélisation doit permettre de faire le lien entre les paramètres opératoires (taille de lingot, vitesse de fusion, conditions de refroidissement, etc.) et les conditions locales de solidification qui déterminent la qualité finale du produit. De nouveaux enjeux (besoin allègement dans les transports, notamment l'aéronautique, pour les aciers de structure, arrivée de nouveaux acteurs – Chine, Inde, Pays de l'Est – sur le marché des métaux réactifs, durcissement des réglementations environnementales) nécessitent de franchir un saut qualitatif dans la démarche de modélisation de ces procédés, ainsi que dans les expérimentations sur les installations industrielles. Le projet OPERAS vise à permettre aux partenaires de renforcer leurs positions de leaders dans leurs domaines d'activités respectifs. Au niveau universitaire, il contribuera à la synergie entre les équipes « Procédés d'Elaboration » et « Solidification » du LSG2M. Le projet, prévu sur une durée de 48 mois, s'articule en 3 thèmes et 9 opérations de recherche interconnectées, détaillées dans le dossier scientifique. Il associe - le développement et l'optimisation des modèles numériques, - la caractérisation des alliages refondus, en termes de structure de solidification et de microségrégation, - la réalisation d'expériences sur site industriel (comportement de l'arc électrique, mesure du refroidissement latéral), - la validation des modèles par comparaison des résultats des simulations avec l'expertise de lingots d'aciers, de superalliages, de titane et de zirconium élaborés spécifiquement pour cet usage. Parmi les avancées scientifiques les plus significatives du projet, on peut tout particulièrement mentionner l'implémentation dans les codes de calcul déjà développés d'une modélisation fine de la genèse et de la croissance des structures de solidification, ainsi que des ségrégations associées. La réalisation d'expériences in situ novatrices, visant à caractériser de manière détaillée la structure de l'arc électrique et sa dynamique globale, est également représentative de l'aspect multi-échelles du projet. OPERAS donnera lieu à la formation de deux doctorants. La première thèse (contrat CIFRE LSG2M-CEZUS) doit démarrer dès le début du projet. Le travail de thèse consiste à introduire la modélisation des structures de solidification dans le code de calcul SOLAR (modèle de simulation macroscopique du procédé VAR développé précédemment au LSG2M). La croissance des structures sera simulée par une approche de prise de moyenne, selon une méthodologie similaire à celle du code numérique SOLID, également développé depuis plusieurs
années au LSG2M. En sus du travail de modélisation numérique, le doctorant participera aux expériences réalisées à CEZUS pour caractériser les structures des alliages refondus et aux refusions industrielles dédiées à la validation du modèle final. Un second doctorant aura pour mission principale d'implémenter dans le code SOLECS (pendant de SOLAR pour la refusion ESR) le calcul explicite des transferts thermiques dans l'électrode, une simulation précise du processus de fusion de l'extrémité immergée et un module de calcul électromagnétique dans le creuset. Parallèlement, le thésard participera aux essais industriels réalisés par Aubert & Duval sur le site des Ancizes pour valider les nouveaux modules développés.