LA CHAINE D’ACQUISITION

La chaîne de mesure principale part des thermocouples se situant sur l’échantillon jusqu’à l’ordinateur chargé de recueillir les données. Une deuxième chaîne de mesure part du cœur du refroidisseur vers le système d’acquisition (cf. figure III.21).

Figure III.21. Schéma descriptif de la chaîne de mesure.

PID Echangeur Vase d’expansion Pompe Remplissage du circuit Arrivée générale ^Manomètre Refroidisseur Evacuation Boite froide Bloc cuivre

-112- III.10. CONCLUSION PARTIELLE

L’ensemble du dispositif expérimental a été présenté et décrit. Nous avons soulevé les différentes problématiques et contraintes techniques rencontrées lors de la conception de cette installation. Des réponses et des solutions techniques ont été apportées. Certaines limites apparaissent d’ores et déjà, notamment, l’éventuelle apparition des résistances thermiques aux interfaces de contact entre l’échantillon et les deux échangeurs thermiques due au rétrécissement de l’échantillon lorsque celui-ci se solidifie, les compensations des pertes thermiques par rayonnement, et l’interaction chimique entre le cuivre et l’étain.

La description des principes et des solutions techniques a été faite de la manière la plus détaillée possible pour permettre la réutilisation du dispositif et son perfectionnement.

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REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES DU CHAPITRE III

[1] D. J. Hebditch, « Segregation in Castings», Ph.D. Thesis, Département de Métallurgie, Université d’Oxford, 1973

[2] D.J. Hebditch et J. D. Hunt, “Observations of Ingot” Macrosegregation on Model

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[3] N. Ahmad, H. Combeau, J.-L. Desbiolles, T. Jalanti, G. Lesoult, J. Rappaz, M. Rappaz et C. Stomp, “Numerical Simulation of Macrosegregation: A Comparison between

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[4] T. Jalanti, « Etude et modélisation de la macroségrégation dans la coulée

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[5] G. Quillet, A. Ciobanas, P. Lehmann, Y. Fautrelle, “A benchmark solidification

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[7] X. d. Wang, Y. Fautrelle, “An investigation of the influence of natural convection on

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Driven by a Modulated Traveling Magnetic Field: Part II. Theoretical Model”. MET.

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[12] R. Boussaa, O. Budenkova, L. Hachani, X-D. Wang, B. Saadi, K. Zaidat, H. BenHadid and Y. Fautrelle, “2D and 3D Numerical Modeling of Solidification Benchmark of

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[13] Thèse de Ghislain QUILLET « Influence de la convection, naturelle ou forcée, sur

l’apparition des mésoségrégations lors de la solidification des alliages métalliques »,

Université de Grenoble INP, 2003.

[14] A. M. Bianchi, Y. Fautrelle et J. Etay. Livre « transfert thermique », Agence universitaire francophonie, presses polytechniques et universitaires romandes.

[15] T. Carozzani, C. A. Gandin, H. Digonnet, M. Bellet, K. Zaidat, and Y. Fautrelle. « Direct Simulation of a Solidification Benchmark Experiment », Met. Mat. Trans. A, (2012)

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CHAPITRE IV

SOLIDIFICATION SOUS L’EFFET

DE LA CONVECTION

THERMO-SOLUTALE

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Ce chapitre est consacré à l’exploitation et le traitement numérique des résultats obtenus à partir des diverses expériences de solidification sous l’effet de la convection thermosolutale, réalisées avec le dispositif expérimental AFRODITE, décrit dans le chapitre III. L’ensemble des expériences exploitées dans ce chapitre sont présentées dans l’annexe (II). L’organisation de ce chapitre comprend deux parties essentielles. Premièrement, nous procèderons à une vérification des hypothèses de base considérées dans la partie descriptive de l’installation afin de vérifier si notre système répond aux objectifs envisagés. Cela permettra de confirmer ou de nuancer certaines hypothèses faites sur le système expérimental et de tester partiellement sa validité. Dans la deuxième partie, les résultats des mesures seront présentés dans leur ensemble, tant pour l’étain pur que pour un alliage étain-plomb de différentes concentrations massique et en fonction des deux paramètres expérimentaux principaux : gradient de température et vitesse de refroidissement.

IV.1. PROCESSUS EXPERIMENTAL

Le processus expérimental se compose de cinq étapes essentielles présentées sur la figure (IV.1). Le contrôle du processus s’effectue à travers des consignes imposées sur le thermocouple FL3 de l’échangeur gauche et le thermocouple FR3 de l’échangeur droit à l’aide d’un système de régulation automatique PID (proportionnel intégral dérivé), qui contrôle la puissance électrique émise par le fil de résistance de chaque échangeur.

IV.1.1. Etape 1 : La fusion de la charge

Pour la majorité des expériences, l’état initial correspond au lingot solide à 25°C. Une première rampe de température est appliquée sur les surfaces d’échanges entre le lingot et les deux échangeurs, à une vitesse de chauffage d’environ 0,052K/s. Cette première rampe est suivie par un palier à la température 140°C pendant 15mn, puis une deuxième rampe d’une vitesse de fusion différente selon le cas traité. Notons que pour la plupart des expériences réalisées cette rampe de fusion est égale à la vitesse de refroidissement (CR= 0,03K/s). La température finale de cette étape est de 260°C pour les alliages étain-plomb et 300°C pour l’étain pur (barrière thermique de fusion des corps purs).

Les durées de temps pour cette première étape pour les cas de solidification à des vitesses de refroidissement de 0,02, 0,03 et 0,04K/s sont respectivement 2h 40mn, 2h 6mn 4s, et 1h

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Figure. IV.1. Processus expérimental pour une différence de température expérimentale moyenne ΔT = 40K et une vitesse de refroidissement CR = 0,03K / s. Les cinq étapes sont illustrées: (1) la fusion, (2) première étape de stabilisation thermique, (3) Application de la différence de température entre les deux parois d’échangeur, (4) la deuxième étape de stabilisation du champ de température et (5) la solidification.

IV.1.2. Etape 2 : Première étape de stabilisation

Dans cette étape les températures des deux échangeurs de chaleur sont maintenues pendant 1h 20min à la température 260°C pour toutes les expériences réalisées sur l’alliage étain-plomb, et 300°C pour celles réalisées sur l’étain pur. Au cours de cette étape, un brassage électromagnétique est appliqué à l’aide d’un moteur linéaire placé à une distance de

5mm sous le creuset et qui sert à générer un champ magnétique glissant. Le brassage a un

double effet, en premier lieu avoir un état thermique stationnaire (stabilisation thermique du lingot) et deuxièmement l'homogénéisation de la concentration en élément de soluté dans le cas des alliages.

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IV.1.3. Etape 3 : Application d’une différence de température moyenne

La différence de température expérimentale moyenne (ΔT), est appliquée entre les deux surfaces d’échange thermique, à l’aide du système PID qui pilote les consignes imposées sur les deux thermocouples pilotes, FL3 et FR3. Par exemple, pour une différence de température de 40K, une augmentation de la température de 260°C à 280°C est imposée sur le thermocouple FL3 (coté chaud) et une diminution de 260°C jusqu’à 240°C sur le thermocouple FR3 (coté froid). Dans toutes les expériences réalisées la durée de l’application de cette différence de température est 15mn. Il est très important de noter que cette dernière représente l’étape qui distingue les deux modes de solidification naturelle ou forcée, car dans le cas de la solidification sous l’effet de la convection naturelle (thermosolutale) le brassage électromagnétique s’arrête au début de cette étape, par contre pour le cas de la solidification sous l’effet de la convection forcée le brassage est maintenu jusqu’à la fin du processus expérimental.

IV.1.4. Etape 4 : Deuxième étape de stabilisation

Après avoir appliqué la différence de température expérimentale (ΔT), entre les deux échangeurs thermiques, une deuxième étape de stabilisation est imposée pendant 45mn. Au cours de cette étape les deux températures des thermocouples FL3 et FR3, sont maintenues constantes (FL3 =280°C et FR3 =240°C), afin de permettre à la convection de bien s’établir. La déformation des lignes des isothermes donne des indications sur la configuration de l’écoulement générée par la convection naturelle.

IV.1.5. Etape 5 : Solidification

La dernière étape concerne l’étape de refroidissement ou de solidification. La même vitesse de diminution de température est imposée sur les deux échangeurs à travers le contrôle de la température des deux thermocouples FL3 et FR3, dans le but d’avoir une solidification sous une différence de température constante. Notons que dans toutes les expériences de solidification réalisées, l’extraction de la chaleur se fait par le côté droit. Cependant, au cours de la solidification sous une vitesse de refroidissement très lente (par exemple CR= 0,02K/s), l’échange de chaleur à travers l’échangeur droit est insuffisant pour extraire la quantité de chaleur dégagée par le liquide et la chaleur latente dégagée par les couches solides formées, dans ce cas, le système de régulation fait intervenir le deuxième échangeur du côté gauche et

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l’extraction se fait par les deux cotés toute en gardant une différence de température constante.