Mesures de propriétés thermiques des métaux par procédé électromagnétique

par Alimata Diarra

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Jacqueline Etay et de Annie Gagnoud.

Le président du jury était Marc Lomello-Tafin.

Le jury était composé de Julien Jourdan.

Les rapporteurs étaient Gérard Berthiau, Pierre Chapelle.


  • Résumé

    L’industrie de métallurgie est demandeuse de propriétés thermophysiques essentielles pour la modélisation et l’optimisation des procédés d’élaborations.Les propriétés thermophysiques des métaux et des alliages métalliques à l’état liquide sont mal connues. Ces propriétés dépendent de la température et sont difficiles à mesurer surtout à haute température. A l’état liquide, le métal est réactif et facilement polluable. Dans les années 1980, Egry a développé un lévitateur électromagnétique TEMPUS pour mesurer en apesanteur sans contact matériel les propriétés thermophysiques des métaux et alliages en fusion. Dans l’espace, les effets du brassage électromagnétique et de la déformation des échantillons fondus sont beaucoup plus faibles que sur terre.L’emploi de cet outil spatial est coûteux. C’est pour, à terme, diminuer les coûts tout en maintenant voire améliorant la qualité des mesures, que nous avons souhaité remplacer la microgravité par un champ magnétique continu.Les travaux réalisés dans cette thèse consistent à mesurer les propriétés thermiques des métaux par procédé électromagnétique en utilisant une méthode de calorimétrie modulée.Elle comporte deux parties.-Une partie numérique dans laquelle nous avons simulé d’une part le lévitateur spatial TEMPUS et d’autre part le lévitateur terrestre AEXAM.La simulation du lévitateur spatial TEMPUS a pour but de déterminer l’effet de la superposition de courants inducteurs de fréquences différentes (courants de chauffage et de centrage) sur les comportements hydrodynamique et thermique de la goutte. Les résultats des calculs nous ont montré que le courant de centrage est susceptible d’agir sur les mesures.La simulation du lévitateur terrestre AEXAM consiste à déterminer la fréquence d’oscillation verticale de la goutte, la puissance Joule dissipée dans celle-ci, les champs de vitesse et de température. La goutte prend la forme d’une poire et elle oscille à une fréquence de 7 Hz. La puissance Joule dissipée dans la charge est maximale vers le bas de la charge dans les premiers millimètres à mi-hauteur entre l’équateur et le pôle. Elle diminue en pénétrant dans la charge et est nul sur l’axe de symétrie. La convection dans la goutte crée un brassage électromagnétique et homogénéise le champ de température.-Une partie expérimentale dans laquelle le lévitateur AEXAM a été placé dans un champ magnétique continu horizontal pour amortir l’oscillation verticale et le brassage électro-magnétique de la goutte mentionnée dans les calculs. Ceci nous a permis la mise en œuvre d’un protocole de mesure original sur un métal liquide. Ce protocole est un programme de traitement des donnés basé sur le comportement du champ de température lorsque les sources thermiques internes à l’échantillon sont instationnaires. Dans ce programme, nous avons utilisé une fonction d’identification qui permet d’obtenir un modèle mathématique à partir de mesures. Pour obtenir un modèle mathématique consistant, il est important d'exciter le système avec toutes les fréquences de sa plage de fonctionnement. C’est ce que nous faisons quand nous appliquons un bruit blanc sur la consigne d’entrée du générateur. Nous avons précédemment validé le protocole sur du solide en remontant aux valeurs de la capacité calorifique et de la conductivité thermique.Pour optimiser les pertes de masse, les instabilités sur les mesures du courant inducteur et la bonne reproductivité des mesures sur une goutte, nous avons choisi une masse initiale de 3,5 g pour faire les mesures avec modulation du courant inducteur dans un champ magnétique continu de 1 Tesla. Nous avons obtenu les valeurs de la capacité calorifique et de la conductivité thermique de la goutte. Celles-ci sont voisines des valeurs données par la littérature. Ce qui nous a permis de valider en partie le protocole de traitement des mesures.Dans le futur, ce protocole peut être appliqué sur des alliages métalliques.

  • Titre traduit

    Measurements of thermal properties of metals using electromagnetic process


  • Résumé

    The metal industry is requesting essential thermophysical properties for modeling and optimizing elaboration processes.Thermophysical properties of metals and metal alloys in liquid state are well known. These properties depend on the temperature and are difficult to measure especially at high temperature. In the liquid state, the metal is reactive and easily contaminated .In the 1980s, Egry developed an electromagnetic levitator TEMPUS developed an electromagnetic levitator TEMPUS to measure thermophysical properties of molten metals and alloys using a contactless technique under microgravity conditions. In space, the effects of electromagnetic stirring and deformation in molten samples are much lower than on Earth.The use of this space tool is expensive. In order to reduce the cost while maintaining or even improving the quality of measurements, we wanted to replace microgravity by a continuous magnetic field.The work in this thesis includes measuring the thermal properties of metals by electromagnetic method using a modulated calorimetry technique.The work has been divided in two parts:-The first consisted in the numerical simulation of space levitator TEMPUS and a terrestrial levitator AEXAM.The numerical simulation of space levitator TEMPUS aims to determine the effect of the superposition currents of different induction frequencies (heating currents and centering) on the hydrodynamic and thermal behavior of the drop. Calculation results showed that in some cases the centering current is likely to act on the measures and therefore it should be taking into account.The numerical simulation of terrestrial levitator AEXAM was destined to determine the vertical oscillation frequency of the drop, the power dissipated, the velocity fields developed inside and temperature. The drop takes the form of a pear and oscillates at a frequency of 7 Hz. The Joule power dissipated in the load is maximum on the lower part of the drop and decreases towards the interior of the drop vanishing at the center. Convection in the drop creates an electromagnetic stirring and homogenizing the temperature field.-The second part present the experiments performed using the levitator AEXAM placed in a horizontal continuous magnetic field for dampening the vertical oscillation and the turbulence produced by the effect of the electromagnetic stirring as it was mentioned in the calculations.This allowed us the implementation of a new protocol for measuring thermal properties in liquid metals.The protocol is a post processing program based on the temperature field variation resulting from unsteady joule power dissipation in the charge. An implemented identification function provides a mathematical model based on performed measurements. The use of a wide range of system frequencies was required to obtain a robust mathematical model. This was achieved by using pseudo-white noise perturbation at the generator inlet. The program has been validated successfully on solid matter by reverse determination of thermal conductivity and heat capacity.The preliminary studies under continuous magnetic field without modulation have mounted for a maximum initial weight of 3.5, we have less mass loss and improved measurement stability of the inductor current, as well as the reproductivity of the measurements.The protocol was validated successfully on the liquid charge using modulated perturbation under a continuous magnetic field of 1 Tesla. The obtained values of the heat capacity and thermal conductivity were comparable to the values given by the literature which partially validates the protocol.As a perspective, this protocol can be applied to a wide range of metal alloys.


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