Thèse soutenue

Mesures de propriétés thermiques des métaux par procédé électromagnétique

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Auteur / Autrice : Alimata Diarra
Direction : Jacqueline EtayAnnie Gagnoud
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
Date : Soutenance le 20/07/2016
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : Marc Lomello-Tafin
Examinateurs / Examinatrices : Julien Jourdan
Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Berthiau, Pierre Chapelle

Résumé

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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.