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Comportement du lingotin et du radeau inclusionnaire

II. Procédé de Fonderie

II.3 Résultats expérimentaux

II.3.2 Comportement du lingotin et du radeau inclusionnaire

La fusion du lingotin de 8,6 kg se déroule toujours selon quatre étapes distinctes :

 Etape 1 : Tout d’abord, le lingotin commence par s’échauffer, puis par fondre

par son pied (situé en fond de creuset). Sa partie haute, encore solide, bascule et s’appuie

sur la paroi du creuset de fusion [Figure 19, a., b.].

 Etape 2 : Le lingotin fond progressivement faisant ainsi glisser sa partie

supérieure encore solide contre la paroi du creuset.

 Etape 3 : Une fois la quasi-totalité du lingotin fondue, il reste en surface du

bain un disque de métal solide [Figure 20]. Ce « glaçon », comme le dénomment les

opérateurs, est mis en mouvement par l’agitation de la partie liquide le supportant, ce qui

conduit à des contacts répétés avec la paroi du creuset.

max : 7,4 % min : - 3,4 %

Ecart (%)

mm

mm

max : 6,1 % min : - 4,9 %

Ecart (%)

mm

mm

max : 4,6 % min : - 2,7 %

Ecart (%)

mm

mm

z

r

32

 Etape 4 : Enfin, après fusion du « glaçon », le bain est maintenu totalement

liquide avant la coulée.

D’après l’ensemble des enregistrements vidéo réalisés, on constate que la fusion du lingotin

suit un cycle assez reproductible pour l’ensemble des fusions comme le montre le Tableau 5.

Référence Charge B7C3 B8C2 B8C3

Etapes 1 et 2 (s) 132 128 131

Etape 3 (s) 149 170 180

Etape 4 (s) 60 60 60

Temps de fusion total (s) 341 358 371

Tableau 5 : Répartition en temps entre la période de chute et de fusion du lingotin.

Figure 19 : Une charge conventionnelle de 8,6 kg avec les bords supérieurs

et inférieurs chanfreinés (à gauche),

Fusion partielle du lingotin (a. et b.) avec appui de sa partie supérieure,

encore solide, contre la paroi du creuset (étapes 1 et 2) (à droite).

Analyse qualitative de l’évolution du radeau d’inclusions

A partir des observations à la caméra HD et avec l’appareil photo, nous avons pu

établir les constats qui suivent.

D’un point de vue hydrodynamique, la surface du bain de métal liquide est relativement

calme durant la fusion du lingotin et devient plus agitée lorsqu’il ne reste plus que le lingotin

circulaire en surface du bain et lors du maintien en température du bain.

Les inclusions (pour le moins une fraction d’entre elles) sont capturées en surface du bain

liquide pour former un radeau, très visible optiquement, ce qui montre la faible mouillabilité

des particules.

Si l’on s’intéresse au comportement des inclusions en surface du bain au cours de la fusion,

nous pouvons observer les mécanismes d’apparition des inclusions en surface. Pour

Bord supérieur

Bord inférieur

a.

20 mm

20 mm

b.

33

l’ensemble des fusions filmées dans leur intégralité, on peut résumer les phénomènes en

fonction des quatre étapes du procédé de fusion :

 Lors des étapes 1 et 2, des agrégats de petites tailles arrivent au milieu de la

surface du bain entre la paroi du creuset et la périphérie du lingotin. Ces derniers

viennent se regrouper le long de la paroi interne du creuset, mais aussi en

périphérie du lingotin. Les radeaux sont les zones claires du bain [Figure 20].

 Pour l’étape 3, il est intéressant de constater que seul le radeau externe présente

une croissance importante et régulière à l’inverse du radeau interne qui n’évolue

que très peu. Ceci est dû au fait qu’à chaque contact entre la paroi interne du

creuset et le lingotin, une partie des inclusions, en périphérie de ce disque de métal

flottant, adhère au radeau externe.

 Enfin lors de l’étape 4, une fois le lingotin complètement fondu, l’ensemble des

inclusions en surface se localise dans le radeau externe et plus aucune remontée

n’est détectée (avec la définition de la caméra) en milieu du bain liquide comme

c’était le cas au cours des étapes 1 et 2. La largeur de ce radeau n’est pas

axisymétrique, et ceci pour l’ensemble des fusions filmées durant la phase de

maintien en température [Figure 20].

Figure 20 : Image extraite en cours de fusion d’une charge d’AM1.

Durant ces différentes étapes, du fait des mouvements du métal liquide, on constate

que le métal mouille en partie les parois du creuset situées hors du bain liquide. Le métal s’y

dépose et semble se solidifier. Lorsque le bain de métal liquide vient à nouveau mouiller la

partie où s’est précédemment déposé du métal, il semble y avoir décrochage de particules

qui viennent se localiser en périphérie du bain comme montré sur les clichés de la Figure 21.

Les vignettes 1 et 2 montrent clairement le mouillage de la paroi interne du creuset de fusion

et la formation d’un dépôt de métal liquide hors du bain. Les vignettes 3 et 4 montrent le

décrochage et l’incorporation de ce dépôt au sein de la pellicule externe. Le dépôt est

repérable par un cercle de couleur verte lors de sa formation et par un cercle de couleur

bleue lors de son incorporation au sein du radeau. On note que les mécanismes de

Radeau interne

Radeau externe

Paroi creuset

Lingotin

(« glaçon »)

20 mm

34

mouillage du creuset par le métal liquide s’effectuent en de multiples endroits à proximité de

la surface liquide, repérables sur la vignette 2 par des flèches de couleur verte [Figure 21].

1. 2.

3. 4.

Figure 21 : Introduction de particules au sein du bain lors du mouillage du creuset par le métal liquide.

Il semble donc que les mécanismes de mouillage / démouillage puissent être à l’origine

d’une pollution supplémentaire du bain venant s’ajouter à celle mise en évidence par la suite.

Analyse de l’évolution du radeau inclusionnaire.

L’évolution temporelle de la fraction de la surface du bain occupée par le radeau est

représentée sur la Figure 22 pour cinq fusions au comportement bien représentatif.

Rappelons que la phase de maintien en température a une durée standard de 60 s. Pour

une des fusions analysées cette durée a été portée à 240 s.

La surface couverte par le radeau atteint environ 15 % de la superficie du bain, ce qui peut

être considéré comme une surface importante au regard de la propreté de l’alliage de départ.

Cela correspond, si l’axisymétrie est respectée, à une surface de radeau de 1299 mm².

La majorité des bains, à l’exception de l’essai référencé B8C2 présentant une

stabilisation de la propreté inclusionnaire, possède le même ordre de grandeur pour la

20 mm

20 mm 20 mm

35

vitesse de croissance du radeau en surface de l’ordre de 3.10

-2

%.s

-1

. On remarque aussi

que le taux d’occupation en surface pour trois des quatre fusions, évalué toutes les 30 s, a

continué à augmenter après la fusion totale du lingotin. Ce comportement est aussi observé

pour la fusion pour laquelle la phase de maintien a été volontairement prolongée.

Figure 22 : Evolution du taux d’occupation de la population inclusionnaire en surface du bain liquide au

cours d’un cycle industriel classique (fusion + maintien en température).

L’absence de différents régimes de croissance du radeau inclusionnaire [Figure 22], au

cours du cycle de fusion, et ce notamment lorsque la majorité du bain est liquide, remet en

cause l’hypothèse selon laquelle les contacts répétés du lingotin [Figure 19 et Figure 21]

seraient source d’alimentation de particules exogènes en surface du bain liquide

(arrachement de particules d’alumine composant le creuset). L’augmentation de la taille du

radeau, durant et après la fusion complète, ne peut donc s’expliquer que par une pollution

exogène du bain, liée à une interaction (mécanique et/ou chimique) entre le métal liquide et

le creuset.

Analyse de la morphologie du radeau inclusionnaire

On constate que le radeau, lors de la phase de maintien en température, est composé

par une multitude de particules parfaitement indépendantes les unes des autres [Figure 23].

Nous avons ici utilisé l’appareil photo numérique Nikkon D2Xs qui dispose d’une meilleure

définition ; à la surface du bain, 1 pixel correspond à une aire de 6,3.10

-4

mm

2

.

Fin de fusion du lingotin

Coulée

36

Figure 23 : Distribution des agrégats d’inclusions au sein du radeau

au cours de la phase de maintien en température.

On remarque que le radeau est composé d’agrégats de formes et de tailles variées et

que la disposition des agrégats au sein du radeau ne suit pas un schéma particulier [Figure

23]. Une estimation de la taille des particules au cours de cette phase a été possible à partir

de clichés pris avec l’appareil photo numérique [Figure 24].

Figure 24 : Distribution en taille des agrégats d’inclusions présents

au cours de la phase de maintien en température.

Les particules ont une taille moyenne de 2,9 mm (avec un écart type de 0,6 mm pour

un échantillonnage de 200 agrégats). Il a été remarqué au cours des tous premiers instants

de fusion du lingotin et ce jusqu’à sa fusion complète, la remontée de particules de tailles

inférieures aux particules composant le radeau inclusionnaire au cours de la phase de

maintien en température. La limite de définition de la caméra, les fortes perturbations de la

surface du bain liquide et l’éloignement important de la caméra par rapport à la surface du

bain ne permettent pas d’estimer la taille des particules aux tous premiers instants du cycle

de fusion. L’évolution de croissance en taille des particules entre le début de la fusion et la

fin de la phase de fusion du lingotin laisse penser à des phénomènes de regroupement tels

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que des mécanismes d’agrégation et d’agglomération. Ces aspects seront discutés par la

suite [cf. section III.2].