Phénomènes de fragmentation

Intensité des forces de

capillarité

Etat physique des

particules (n°1 / n°2) ^{Liquide /} Liquide Semi-liquide ^{Liquide / Semi-liquide /} Semi-liquide ^{Liquide /} Solide ^{Semi-liquide /} Solide ^{Solide /} Solide

Tableau 15 : Classement de l’intensité de la force de capillarité en fonction de l’état physique des

particules appartenant aux systèmes CaO-Al

O

et CaO-Al

O

-SiO

[69].

Comme le montre le Tableau 15 dans lequel sont regroupées les observations

expérimentales issues de l’étude de Yin et coll. [69], il existe une tendance forte de

rassemblement pour les particules d’alumine solides entre elles. A l’inverse, les aluminates

de chaux liquides ne présentent que peu d’affinité à se regrouper en agglomérat. Ainsi à

partir de ces constatations expérimentales, la présence de traces d’aluminates de chaux (de

nature liquide et semi-liquide) au sein d’agrégats d’alumine (de nature solide), relevées lors

de notre étude expérimentale, s’explique par l’affinité modérée que des particules liquides et

semi-liquides ont à se regrouper avec des particules solides.

III.2.3 Phénomènes de fragmentation

Comme cela a été souligné précédemment, la phase de verse du bain liquide et l’étape

de filtration entrainent une diminution en taille conséquente des agrégats en surface du bain

liquide. En effet, dans un premier temps, nous avons constaté la fragmentation du radeau

inclusionnaire en agrégats multiples dès le basculement du creuset de fusion. Une seconde

phase de fragmentation de ces agrégats a lieu durant l’impact du jet libre sur la surface du

filtre en mousse de céramique [voir la Figure 51]. Ces mécanismes de fragmentation d’un

agrégat dense, composé d’entités sphériques, lors de sa collision avec une interface solide

au cours de sa chute, ont été étudiés expérimentalement [76, 77] et numériquement [78–81].

Mais les principaux travaux disponibles dans la littérature traitent, par l’approche numérique,

d’agrégats sphériques composés de particules de même géométrie [Figure 59]. Certains

auteurs se sont aussi intéressés à des agrégats non sphériques [82, 83]. Ces études ont

abouti à conclure que le degré de fragmentation est lié à de nombreux facteurs tels que la

vitesse de chute de l’agrégat, son taux de porosité, l’angle d’incidence de l’agrégat par

71

rapport à l’interface, la surface de contact avec l’interface (dépendant aussi de la forme de

l’agrégat), de l’énergie de liaison des particules primaires entre elles et de la distribution en

taille de ces dernières au sein de l’agrégat. Ces travaux ont aussi permis de mettre en

évidence qu’au cours de l’impact avec l’interface rigide, l’agrégat subit, dans les premiers

instants, une déformation mécanique (plastique ou élastique) qui est fonction de la nature

des particules composant l’agrégat et de leur force de liaison. Cet aspect a été

expérimentalement caractérisé par des auteurs comme Antonyuk et coll. [77] pour des

agrégats d’alumine montrant un comportement de déformation à dominance élastique.

Figure 59 : Décomposition de la dynamique de fragmentation d’un agrégat au cours de l’impact avec une

interface rigide (représentée par les pointillés) : (a) 0 µs ; (b) 2 µs ; (c) 6 µs ; (d) 10 µs et (e) 150 µs

avec un angle d’impact de 90° et une vitesse de chute de 10m.s

[81].

Suite à la verse, la dislocation des agrégats constituant le radeau inclusionnaire

entraine bien évidemment une diminution de leur taille modifiant de manière significative

l’efficacité du filtre en mousse de céramique. Il est clair que la diminution en taille des

agrégats en dessous d’une taille limite (estimée à 200 µm) [cf. section III.1.5] pénalise

l’efficacité du filtre. Cela entraine la présence d’agrégats au sein des pièces coulées pouvant

engendrer des défauts, et constituer, dans certains cas, des sites préférentiels pour la

germination de grains parasites.

Direction

de chute

72

III.4 Conclusions

La population inclusionnaire a été caractérisée en combinant des analyses par

microscopie électronique à balayage et par microsonde de Castaing en surface des bains

solidifiés après les différentes étapes du procédé de fusion industriel et après l’application du

test du bouton sur les échantillons de matière prélevée.

Il a été montré une forte pollution des bains métalliques par le creuset de fusion en alumine,

suite à des mécanismes d’érosion de la paroi engendrés par l’écoulement du bain. Les

particules d’aluminate de chaux, mises en évidence lors de l’analyse des barres brutes, sont

fortement masquées par cette nouvelle et très importante pollution inclusionnaire. Dans le

but de compléter les observations effectuées lors de ces travaux, il serait souhaitable

d’effectuer de nouveaux prélèvements en fond de bain.

Il a été constaté, grâce à des mesures par thermographie infrarouge et par pyrométrie,

que la température du bain métallique, au cours de la phase de maintien et au cours du test

du bouton, entraine la fusion totale ou partielle des aluminates de chaux permettant ainsi

l’établissement de mécanismes de coalescence. De plus, les fortes contraintes

thermocapillaires en surface du bouton entrainent l’agglomération forcée des agrégats

d’alumine engendrant des changements de morphologies. Même si le test du bouton s’avère

partiellement efficace pour quantifier la population inclusionnaire d’un alliage relativement

propre, il peut potentiellement modifier la morphologie des inclusions analysées en fonction

de leur nature.

Enfin, les observations à la caméra rapide ont montré la présence de mécanismes de

fragmentation du radeau inclusionnaire et des agrégats à la verse du bain liquide sur le filtre

en mousse de céramique. Ces derniers ont été mis en évidence lors de l’étude de la

distribution en taille des particules d’alumine, cette diminution en taille importante des

particules d’alumine lors de la phase de verse entraine une efficacité de filtration limitée à

64 %.

73

Partie B – Etude numérique

Introduction ... 74