Missions

L'étude consistera à adapter et améliorer un modèle existant au laboratoire et décrivant la refusion sous laitier électroconducteur (Electro Slag Remelting, ESR), puis à l'appliquer à la prédiction quantitative de la composition chimique des lingots d'acier refondus sous laitier.

Ce travail de simulation numérique s'appuiera sur un volet expérimental consistant en la caractérisation d'un lingot de 20 t en acier spécial de type 300M refondu par Aubert & Duval dans des conditions de procédé connues et maîtrisées, ainsi que la caractérisation d'une électrode de même nuance qui inclut :
- Des mesures de la chimie et de la métallurgie de l'électrode et/ou du lingot, portées par Framatome,
- Des mesures de taille de structure de solidification du lingot portées par l'IJL.

L'étude s'attachera à la comparaison quantitative des mesures effectuées et des prédictions numériques vis-à-vis de la macroségrégation dans le lingot refondu. En fonction de cette comparaison, le modèle sera développé pour parvenir à des propositions de conduite opératoire visant à minimiser en particulier la ségrégation radiale.
En parallèle, l'IJL (équipe « Solidification ») mettra en œuvre une série de mesures par TSD (Trempe en cours de Solidification Dirigée) de taille de structures de solidification (tailles de grains, espacements interdendritiques), en vue d'alimenter les modèles de perméabilité de la zone pâteuse.

Activités

- Tester le code SOLECS sur des géométries de lingots de 120 t voire plus
- Développer spécifiquement un modèle de macroségrégation en rassemblant préalablement les informations nécessaires déjà disponibles et en listant les données à collecter
- Intégrer le modèle de ségrégation dans le code SOLECS, pour aboutir à une nouvelle version optimisée.
- Comparer les résultats expérimentaux et les prédictions du modèle pour la macro-ségrégation
- Elaborer un modèle pour établir un mode opératoire minimisant la ségrégation radiale en particulier et extrapoler les résultats à des lingots d'acier 18MND5 jusqu'à 250 t
- Mettre au point les bases de l'évaluation du risque de formation de mésoségrégations de type « freckles » (ou veines ségrégées)
- Mesurer par TSD la taille des structures de solidification, les comparer avec les mesures sur lingot afin d'alimenter les modèles de perméabilité de la zone pâteuse

Compétences

- Expertise dans le domaine des matériaux, notamment en ce qui concerne les alliages métalliques
- Bonne connaissance de la simulation numérique et de la programmation
- Appétence pour les activités expérimentales et la simulation numérique
- Capacité à mener un projet et à interagir avec des interlocuteurs universitaires et industriels

Contexte de travail

L'Institut Jean Lamour (IJL) est une unité mixte de recherche du CNRS et de l'Université de Lorraine. Il est rattaché à l'Institut de Chimie du CNRS.
Spécialisé en science et ingénierie des matériaux et des procédés, il couvre les champs suivants : matériaux, métallurgie, plasmas, surfaces, nanomatériaux, électronique.
L'IJL compte 183 chercheurs et enseignants-chercheurs, 91 personnels ingénieurs, techniciens, administratifs, 150 doctorants et 25 post-doctorants, et accueille environ 80 stagiaires par an.
Il collabore avec plus de 150 partenaires industriels et ses collaborations académiques se déploient dans une trentaine de pays.
Son parc instrumental exceptionnel est réparti sur 4 sites dont le principal est un bâtiment neuf situé sur le campus Artem à Nancy.
L'étude sera réalisée au sein de l'équipe Procédés d'Elaboration.
L'IJL mène entre autres des études de modélisation mathématique et de simulation numérique du procédé ESR pour l'élaboration d'aciers et de superalliages base nickel Le principal résultat de ces études a été le développement, puis l'amélioration, du logiciel de simulation numérique SOLECS.
Le modèle à la base de SOLECS est basé sur la résolution couplée, en géométrie 2D axisymétrique, des équations de conservation de l'énergie, de la masse et de la quantité de mouvement dans le laitier et dans le lingot secondaire en cours de croissance et de refroidissement. Le développement de ce modèle est effectué à l'IJL (équipe Procédés d'Elaboration » - A. Jardy et B. Dussoubs) dans le cadre d'un Club d'Utilisateurs qui comprend, outre le laboratoire, les Sociétés suivantes :
- Aubert & Duval (groupe Eramet)
- Timet (groupe PCC)
- Aperam Alloys
- Framatome

En ce qui concerne Framatome, depuis la création du Club en 2002, c'est le Centre de Recherche Composants à Ugine qui participe aux études, du fait de son intérêt spécifique pour la refusion à l'arc d'alliages de zirconium. Récemment, Framatome a fait part de son désir de s'impliquer dans la simulation de la refusion sous laitier de gros lingots d'acier, en particulier pour quantifier le phénomène de macroségrégation en éléments d'alliage.

À l'heure actuelle, le code SOLECS ne traite pas spécifiquement de la ségrégation dans les aciers. Le but de l'étude est le développement de modèles permettant de mieux appréhender les phénomènes de ségrégation à l'œuvre dans la production de gros lingots (jusqu'à 250 t) d'acier faiblement allié, en s'appuyant sur des résultats expérimentaux obtenus spécifiquement, puis de les incorporer dans SOLECS. Cette nouvelle version du code permettra de réaliser des simulations numériques de la refusion ESR de gros lingots d'acier et de caractériser l'influence des paramètres opératoires sur les phénomènes de macroségrégation ainsi que sur l'éventuelle formation de défauts de type « freckles » (ou veines ségrégées).

Contraintes et risques

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Informations complémentaires

Doctorat dans le domaine des matériaux ou de la chimie des matériaux. De fortes connaissances en simulation numérique seraient un plus.
L'étude se déroulera à Nancy (85%) et à Ugine (15%).