Interaction inclusionnaire lors du processus de flottation dans les métaux liquides – FLOTINC

La production de matériaux métalliques à haute performance est stratégique pour la métallurgie européenne afin de concurrencer efficacement les pays émergents. Dans ce contexte, la propreté inclusionnaire est un enjeu majeur, puisqu’elle influence sensiblement les performances mécaniques des alliages métalliques, et permet d’alléger notablement les produits.
Le traitement du métal liquide en poche avec bullage de gaz est depuis longtemps identifié comme le principal procédé responsable de la propreté inclusionnaire des aciers, des alliages d’aluminium et des aciers spéciaux. Dans ces réacteurs, les inclusions sont éliminées soit par sédimentation soit par flottation. Ces réacteurs ont pour objectifs à la fois de réduire la population inclusionnaire et de limiter la taille des plus grosses inclusions restant dans le métal liquide. Le processus d’agrégation, résultant de l’agitation turbulente de l’écoulement, favorise le premier objectif puisque les grosses inclusions seront plus facilement éliminées par flottation et par sédimentation, mais doit être parfaitement contrôlé pour garantir le deuxième objectif. L’optimisation du protocole de traitement doit apporter une vitesse d’agrégation équilibrée garantissant la propreté du métal liquide destiné à la machine de coulée.

En dépit de son fort impact sur l’efficacité des procédés de traitement du métal liquide, le mécanisme d’agglomération des inclusions dans les métaux liquides n’est pas bien décrit dans la littérature, ni modélisé par des corrélations qui pourraient être exploitées dans la simulation des procédés industriels. Le manque de connaissance provient d’une part de la difficulté de mise en œuvre d’expériences représentatives avec des métaux liquides et d’autre part de la nature multi-échelle du problème, qui rend impossible aujourd’hui de capturer la physique à toutes les échelles en une seule approche numérique.

Le projet FLOTINC cherche à lever ces deux verrous à travers un ensemble d’études distribué de manière équilibré en quatre lots, mettant à profit les expertises des partenaires en matière expérimentale ou numérique. Les aspects fondamentaux de la dynamique d’agrégation des inclusions lors de la flottation seront étudiés aux deux principales échelles, à savoir à l’échelle de la bulle (et plus largement d’un train de bulles) et à l’échelle de l’inclusion (régissant les interactions inclusionnaires). Ce travail est rendu possible grâce à la combinaison des forces de quatre équipes, deux spécialisées en montages expérimentaux et deux en simulation numérique, chacune développant des techniques de très haut niveau scientifique. Chaque partenaire conduira un lot.
Les deux échelles seront étudiées avec des techniques expérimentales et numériques, et la dépendance de l’agrégation des inclusions aux conditions d’écoulement à bulles sera obtenue par les simulations numériques, en exploitant les propriétés locales à l’échelle de la bulle en tant que conditions limites et caractéristiques d’écoulement à l’échelle des inclusions. Selon cette approche, l’ensemble des mécanismes physiques couplés, se produisant à différentes échelles, sera capturé.

L’analyse physique fournira de nouvelles et précieuses informations sur les processus d’agrégation et de flottation dans les procédés métallurgiques et sur les stratégies pour les contrôler. Les résultats expérimentaux et numériques seront exprimés sous la forme de noyaux statistiques fournissant aux industriels et aux chercheurs académiques des données quantitatives nécessaires à leurs modélisations. Ils seront applicables à une large variété de procédés métallurgiques et amélioreront de façon sensible la prédiction des simulations à l’échelle industrielle.

En abordant l’enjeu industriel de la propreté inclusionnaire, ce projet entre parfaitement dans l’axe « Matériaux et Procédés » du défi « Stimuler le renouveau industriel ».