Le problème de frontières libres en magnétodynamique des liquides avec champs magnétiques alternatifs : aspects fondamentaux et applications

The possibilities of control of shape, position and stability of the free surface of an electrically conductive medium by using alternating magnetic fields are examined. Particular attention is paid to applications regarding the implementation on the metallurgical process for the direct casting of thin products: electromagnetic forming liquids tapes of large width, electromagnetic guiding of liquid metal sheets, determination of the optimum stability conditions during the impact of a liquid film on the edge of a rotating wheel. The equilibrium of the free surface shape of a liquid in levitation, that of a meniscus centered on an inductor ring and that of a liquid column placed in a uniform magnetic field are determined. These calculations rely on technicalof boundary elements method and of variational principle. In each case, calculations and experiments are compared. The stability criteria of the levitated meniscus in the horizontal continuous casting process is determined by an normal modes analysis.Les possibilités de contrôle de forme, de position et de stabilité de la surface libre d’un milieu électroconducteur par utilisation de champs magnétiques alternatifs sont examinées. Une attention particulière est apportée aux applications concernant la mise en œuvre du procédé métallurgique de la coulée directe de produits minces : obtention par formage électromagnétique de rubans liquides de grande largeur, guidage électromagnétique de lames, détermination des conditions optimum de stabilité lors de l’impact d’une lame liquide sur la tranche d’une roue en rotation. La forme d’équilibre de la surface libre d’un domaine liquide en lévitation, celle d’un ménisque centré sur un anneau inducteur ainsi que celle d’une colonne liquide placée dans un champ magnétique uniforme sont déterminées. Ces calculs font appel à des techniques d’éléments aux limites et de principes variationnels. Dans chaque cas, calculs et expériences sont confrontés. Les critères de stabilité de la partie liquide lévitée dans le procédé de coulée continue horizontale sont établis par une analyse en modes normaux

Le formage électromagnétique des métaux liquides - Aspects expérimentaux et théoriques

The possibility of imposing a given shape to a liquid metal column or to guide it without contact with walls, by using high frequency alternating magnetic fields is proved both experimentally and theoretically.Two types of inductor are tested on an experimental setup using the mercury as the test metal. The first, able to impose a cross shape as cross section of an initially circular mercury vein, may also act as a guide. The second, also tested on molten tin, stretches a circular vein in the form of a sheet.The free boundary problem regarding the theoretical prediction of the forms of equilibrium is analyzed. The calculation is based on the exploitation of complex potentials and conformal mapping used alone in the case of pure magnetic balance and in combination with energy variational methods when additional constrain (eg surface tension) is involved.La possibilité d’imposer une forme à une colonne de métal liquide ou de le guider, sans contact avec des parois, à l’aide de champs magnétiques alternatifs de fréquence élevée est prouvée expérimentalement et théoriquement. Deux types d’inducteur ont été testés sur une installation expérimentale utilisant le mercure comme métal d’essai. Le premier, capable d’imposer une forme de croix à la section transversale de la veine de mercure initialement circulaire, peut aussi assurer un guidage. Le second, qui a été testé également avec de l’étain fondu, étire une veine circulaire sous la forme d’une lame.Le problème de frontière libre qui se pose lors de la prévision théorique des formes d’équilibre est analysé. Le calcul repose sur l’exploitation des potentiels complexes et des transformations conformes, utilisés seuls dans le cas d’équilibre magnétique purs et en combinaison avec des méthodes variationnelles d’énergie lorsque des sollicitations supplémentaires (tension superficielle par exemple) interviennent

Influence de la convection sur la mesure indirecte de la capacité calorifique et de la conductivité thermique d'alliage métallique en lévitation utilisant la calorimétrie modulée

La calorimétrie modulée est une méthode de détermination indirecte de la capacité calorifique et de la conductivité thermique d'alliages métalliques. Associée à la lévitation électromagnétique, elle est particulièrement intéressante lorsque les alliages sont très réactifs en phase liquide ou surfondus. Cette technique, mise au point sur des alliages solides, doit être validée pour les liquides. Notre contribution est basée sur des simulations numériques 2D-Axisymétriques, permettant de mettre en évidence l'influence de la convection sur les valeurs de températures mesurées à la surface de l'échantillon. Nous observons une augmentation des transferts thermiques dans l'échantillon menant à une surestimation de la conductivité thermique mesurée, sans nuire à la mesure de la capacité calorifique

Simulation numérique des écoulements et des transferts de masse dans un procédé inductif d'extraction réductrice liquide/liquide

L’extraction réductrice liquide-liquide est une des voies pyrochimiques les plus prometteuses pour assurer le retraitement des déchets nucléaires. Cette technique, déjà employée en métallurgie lors du traitement des poches d’acier, permet de transférer des éléments entre deux phases immiscibles (généralement un métal liquide et un sel ou un oxyde fondu) au moyen d’une réaction d’oxydo-réduction localisée à l’interface entre les deux fluides. La cinétique de transfert est alors souvent dépendante de l’agitation des deux phases et de l’interface elle-même. L’utilisation de forces électromagnétiques permettant de brasser sans contact matériel le cœur des bains ainsi que l’interface a été étudiée expérimentalement sur le couple fluorure de lithium/antimoine. La description numérique d’un tel réacteur expérimental est difficile puisqu’elle requiert la description de différents phénomènes fortement couplés (électromagnétisme, dynamique des fluides, thermique, déformation de l’interface). Elle s’avère néanmoins nécessaire à l’optimisation de ce type de procédé. La simulation numérique du réacteur expérimental a été réalisée sous certaines hypothèses simplificatrices. Les écoulements turbulents dans les deux phases fluides (sel fondu et métal liquide) sont décrits en prenant en compte le brassage électromagnétique ainsi que la convection naturelle dans la phase saline. La déformation statique de l’interface sous l’effet de la pression électromagnétique est également décrite tout comme l’entrainement visqueux de la couche saline par le métal liquide. Le transfert d’une espèce de la phase saline vers la phase métallique est ensuite calculé à partir des écoulements stationnaires obtenus. Le transfert de masse calculé est en bon accord avec le transfert expérimental

Mesure de la cinétique d'extraction réductrice liquide-liquide de lanthanides d'un sel fondu vers un alliage métallique brasé électromagnétiquement

L’extraction réductrice liquide-liquide est une des voies pyrochimiques les plus prometteuses pour assurer le retraitement des déchets nucléaires. Cette technique, déjà employée en métallurgie lors du traitement des poches d’acier, permet de transférer des éléments entre deux phases immiscibles (généralement un métal liquide et un sel ou un oxyde fondu) au moyen d’une réaction d’oxydo-réduction localisée à l’interface entre les deux fluides. La cinétique de transfert est alors souvent dépendante de l’agitation des deux phases et de l’interface elle-même. Afin d’améliorer les transferts de masse, l’utilisation de forces électromagnétiques permettant de brasser sans contact matériel le cœur des bains ainsi que l’interface a été étudiée. Les cinétiques d’extraction de trois lanthanides (cérium, néodyme et samarium) ont été établies expérimentalement. Une étude préalable conduit à travailler sur le couple fluorure de lithium/antimoine et à utiliser le lithium comme agent réducteur. Nous avons mis en place une installation expérimentale permettant de mesurer les cinétiques d’extraction de ces lanthanides. Le sel et le métal sont d’abord fondus dans deux creusets concentriques en graphite. Lorsque les deux phases sont liquides, le creuset intérieur est soulevé si bien que le métal peut s’écouler sous le sel par un trou de 6 mm de diamètre situé au fond du creuset. Un système de prélèvements permettant la prise de dix échantillons dans chacune des phases est ensuite positionné au dessus du bain. Les échantillons obtenus sont ensuite analysés par ICP optique (ICP-AES). Les résultats montrent que la cinétique de transfert est du premier ordre et semblent indiquer que le mécanisme contrôlant la cinétique des transferts est la diffusion des espèces réactives à l’interface

Characteristisation of a recirculating flow using ultrasonic Doppler velocimetry

We deal with a metallic GaInSn flow driven by a traveling magnetic field. The flow field in a parallelipedic box was measured by ultrasonic Doppler velocimetry. The mean velocity profiles and fluctuating behavior are obtained. The mean velocity is influenced by the pole pitch of the linear motor. The magnetic field distribution is measured and the Lorentz force is analyzed. The turbulent character of the flow is confirmed by discrete Fourier analysis of the registered signal, the flow exhibits continuous frequency spectrum

Mesure de propriétés thermophysiques par lévitation électromagnétique utilisation d'une technique d'identification

La lévitation électromagnétique est une technique de mesure des propriétés physiques des alliages métalliques liquides. Afin de réduire le brassage électromagnétique, certaines expériences sont menées en microgravité. La mesure est habituellement effectuée en utilisant la technique de calorimétrie modulée. Nous avons proposé un nouveau protocole de mesure, qui permet de réaliser une mesure, sans calibration préalable et en un seul essai et qui a été validé numériquement et expérimentalement. Il serait très efficace de l'appliquer à un lévitateur placé dans un champ magnétique continu

Contrôle électromagnétique des transferts de masse à l'interface entre une phase saline et une phase liquide à haute température.

Nous présentons des expériences, utilisant la technique du creuset froid, dans lesquelles des lanthanides, ou d'autres éléments, sont transférés d'une phase saline fluorée vers une phase métallique liquide contenant un agent réducteur tel le Lithium. Du ZrF4 (5 mol%), ou bien du CeF3 (2 mol%), est dissous dans du LiF. Un alliage métallique Sb-Li contenant 5 ou 10 wt % de Lithium, est mis en contact de la phase saline à t = 0. Le taux de transfert est déduit des analyses ICP post mortem effectuées sur des échantillons prélevés dans le métal à pas de temps donnés. La cinétique du transfert est très rapide et dépend de l'agitation électromagnétique

Expérience de lévitation électromagnétique sous rayonnement synchrotron

La lévitation électromagnétique est utilisée lors de l’élaboration, à haut degré de pureté, et de la mesure de propriétés thermophysiques d’alliages métalliques. La validation des modèles numériques existants est entravée par l'absence de données expérimentales relatives aux vitesses d'écoulement à l'intérieur de l’alliage fondu. À l'aide d'une technique d'imagerie rayons X (ESRF-faisceau ID15A), nous voulons mesurer les vitesses dans une goutte de métal en lévitation