Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Cet article présente la refusion à l’arc sous vide (VAR), procédé de métallurgie secondaire basé sur l’affinage du métal liquide par le vide et le contrôle de sa solidification dans un creuset refroidi. Il s’applique aux alliages réactifs de titane ou de zirconium purifiés sans contact avec un réfractaire, ainsi qu’aux aciers et aux superalliages dont il améliore la propreté inclusionnaire. Le principe du procédé VAR et la technologie des fours sont détaillés, en insistant sur la conduite des refusions et les aspects de sécurité. Les spécificités de la refusion sont précisées pour différentes nuances. Enfin, l’intérêt de sa simulation comme outil d’aide au choix des paramètres opératoires est illustré.
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This paper deals with Vacuum Arc Remelting (VAR), a secondary metallurgical process based on refining the liquid metal under vacuum and controlling its solidification within a cooled crucible. It applies to reactive Ti or Zr alloys, which are purified without any contact with refractories, and to steels and superalloys, whose inclusion cleanliness is improved. The principle of the VAR process and the technology of furnaces are discussed, with an emphasis on the process operation and safety aspects. The specificities of remelting are detailed for different grades. Finally, the interest of numerical simulation as a tool to help in the choice of operating parameters is illustrated.
Auteur(s)
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Alain JARDY : Directeur de Recherches au CNRS, - Docteur en Sciences des Matériaux de l’Institut National Polytechnique de Lorraine - Institut Jean Lamour, UMR 7198 Université de Lorraine/CNRS, Nancy, France
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Isabelle CRASSOUS : Ingénieur de Recherche, - Docteur en Electrochimie de l’Université Pierre et Marie Curie Framatome, Centre de Recherche des Composants, Ugine, France
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Sylvain CHARMOND : Ingénieur de Recherche, - Docteur en Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés de l’Institut Polytechnique de Grenoble - Aubert & Duval, Les Ancizes, France
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Vincent DESCOTES : Ingénieur de Recherche, - Docteur en Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés de l’Université de Lorraine - Aperam Alloys Imphy, Centre de Recherche P. Chevenard, Imphy, France
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Stéphane HANS : Responsable du Département R&D Élaboration et Coulée des Alliages, - Docteur en Science et Génie des Matériaux de l’Institut National Polytechnique de Lorraine - Aubert & Duval, Les Ancizes, France
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Yvon MILLET : Responsable R&D Europe - Timet Savoie, Ugine, France
INTRODUCTION
Le procédé de refusion à l’arc sous vide (procédé VAR pour Vacuum Arc Remelting) a été développé à partir des années 1940 pour répondre aux besoins des secteurs industriels de l’aéronautique, de l’énergie et du nucléaire, en matériaux de haute valeur ajoutée destinés à des applications critiques. Les lingots refondus, de géométrie cylindrique, sont compacts et très homogènes, ils ont une masse de plusieurs tonnes et se caractérisent par leurs faibles teneurs en éléments indésirables et par leur propreté inclusionnaire. La refusion à l’arc sous vide est principalement utilisée pour élaborer, avec des productions sensiblement égales, deux types d’alliages métalliques :
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des métaux réactifs (alliages de titane ou de zirconium), préalablement assemblés sous forme de compacts d’éponges issus de la distillation sous vide et d'éléments d'addition, refondus pour éliminer les éléments indésirables (chlore en particulier) et obtenir des lingots exempts de défauts. La refusion VAR est aussi une étape ultime pour les opérations de recyclage des chutes, après une première fusion par bombardement électronique ou torche plasma ;
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des lingots d’aciers (inox, maraging…) ou de superalliages base nickel ou cobalt, à partir d’électrodes consommables obtenues par voie traditionnelle (EAF, AOD, VIM…).
La technologie des fours de refusion, en insistant sur les conditions opératoires et la sécurité du procédé, ainsi que les spécificités de la refusion sous vide, sont discutées en détail dans cet article, dont la dernière partie est consacrée à la modélisation du procédé. Les outils numériques développés permettent de décrire les mécanismes physiques complexes mis en jeu et sont utilisés comme aide au choix des paramètres opératoires. L’objectif de l’article est de donner au lecteur une vue globale sur cette technologie tout en détaillant chaque aspect technique et la particularité de chaque famille d’alliages produite.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des sigles utilisés.
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MOTS-CLÉS
solidification titane arc électrique zirconium superalliages aciers spéciaux propreté inclusionnaire
KEYWORDS
solidification | titanium | electrical arc | zirconium | superalloys | special steels | inclusion cleanliness
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Conclusion
En anglais
4. Modélisation – Simulation
4.1 État de l’art
Comme tous les procédés d’élaboration des métaux et alliages, la refusion VAR a été l’objet de multiples recherches théoriques, et l’est encore en 2021. Les mécanismes mis en jeu lors de l’élaboration sont complexes et très couplés. De manière tout à fait classique, la modélisation mathématique et la simulation numérique sont des outils fortement utilisés par les départements R&D des entreprises concernées pour l’analyse et l’optimisation de la conduite des refusions. Ces outils permettent de mieux maîtriser la qualité des produits finaux, et apportent un support indispensable au développement de nouveaux produits en diminuant les coûts et les délais de mise au point. Une association des utilisateurs du procédé, des unités R&D des entreprises, et des chercheurs académiques est quasi systématiquement à la base du développement des modélisations mathématiques des procédés de refusion. Notons que les modèles du procédé VAR ont été souvent développés parallèlement à la simulation de la croissance et de la solidification du lingot secondaire dans des procédés voisins (refusion sous laitier ESR , par bombardement électronique EBM ou par plasma PAM ...
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Modélisation – Simulation
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - JABLONSKI (P.D.), TURNER (P.C.) - Liquid metal processing and casting experiences at the US Department of Energy’s Albany research centre. - In : Proceedings of the 2005 International Symposium on Liquid Metal Processing and Casting, Santa Fe (USA), p. 83 (2005).
-
(2) - CHOUDHURY (A.) - Vacuum metallurgy. - AMS International (1990).
-
(3) - BERTRAM (L.A.), MINISANDRAM (R.S.), YU (K.O.) - Vacuum arc remelting and electroslag remelting. - In : Modeling for Casting and Solidification Processing, CRC Press, p. 565 (2001).
-
(4) - UxC SPECIAL REPORT - Nuclear grade zirconium alloy market outlook. - UxC LLC (2019).
-
(5) - ZANNER (F.J.), BERTRAM (L.A.), ADASCZIK (C.), O’BRIEN (T.) - Observations of melt rate as a function of arc power, CO pressure, and electrode gap during vacuum consumable arc remelting of Inconel 718. - Metallurgical Transactions B, 15, p. 117 (1984).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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...
ANNEXES
Liquid Metal Processing & Casting Conference (LMPC), conférence internationale sur les procédés de fusion et de métallurgie secondaire, se tenant tous les deux ans alternativement en Europe et aux Etats-Unis (années impaires).
International Conference on Ingot Casting, Rolling and Forging (ICRF), conférence internationale sur les procédés de refusion, d’affinage et de coulée des lingots, et les procédés aval de transformation.
http://www.aist.org/conference-expositions/icrf/
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Producteurs français d’alliages métalliques refondus par le procédé VAR :
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APERAM Alloys, producteur d’alliages de nickel-cobalt, aciers spéciaux et superalliages.
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AUBERT & DUVAL,...
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