Numerical Simulation of the Outokumpu Flash Smelting Furnace Reaction Shaft

Abstract

A mathematical model for simulating oxidation reactions of chalcopyrite particles together with momentum, heat and mass transfer between particle and gas phase in a flash smelting furnace reaction shaft is presented. In simulation, the equations governing the gas flow are solved numerically with a commercial fluid flow package, Phoenics. The particle phase is introduced into the gas flow by a Particle Source In Cell (PSIC)-technique. The chemical reactions of concentrate particles are assumed to happen at two sharp interfaces, and the shrinking core model is applied to describe the mass transfer of chemical species through the reaction product layer. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

On présenté un modèle mathématique de simulation des réactions d'oxydation de particules de chalcopyrite ainsi que du transfert de mouvement, de chaleur et de masse entre particule etphase gazeuse, dans une cuve de réaction d'un four de fusion a gaz chauds. Lors de la simulation, on resout numériquement les équations qui gouvernent l'écoulement de fluide. La phase-particule est introduite dans l'écoulement de gaz par une technique de “Source de particule dans la cellule” (Particle Source In Cell-PSIC). On assume que les réactions chimiques de particules de concentre se produisent à deux interfaces bien definies et on applique le modèle de noyau retrecissant pour decrire le transfert de masse des éspeces chimiques par l'intermediaire de la couche de produit de réaction. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Characterisation of Al–B4C composite microstructures and their effect on fluidity

Abstract

Microstructural variables such as particle volume fraction, distribution and agglomeration significantly affect the properties of Al–B₄C metal matrix composites. The aim of the investigation was to study the quantitative characterisation of the microstructural variables and their effects on the fluidity of the composites. The results showed that the particle volume fraction, homogeneity of particle distribution, and volume fraction of agglomerates could be quantitatively analysed by the imaging analysis technique. It was found that the amounts of the particle clusters and networks, as well as the effective volume fraction of total particles augmented with the increase in the holding time. In addition, the longer holding time was, the less homogeneous the particle distribution became. Moreover, the particle agglomerates have a tendency to migrate to the flow end which results in an accelerated stopping of the flow. The increase in the effective particle volume fraction corresponded well with the fluidity deterioration of the composites during the melt holding.

Les paramètres microstructuraux, tels que la fraction volumique, la distribution et l’agglomération des particules affectent de manière significative les propriétés du composite à matrice métallique Al–B₄C. Ce travail porte sur la caractérisation quantitative des propriétés microstructurales ainsi que leurs effets sur la fluidité des matériaux composites. La fraction volumique des particules, l’homogénéité de leur distribution et la fraction volumique des agrégats ont été analysées quantitativement à l’aide de la technique d’analyse d’images. Les résultats montrent une augmentation de la quantité d’agrégats et de la fraction volumique effective des particules avec l’augmentation du temps de maintien. De plus, plus le temps de maintien est long, moins grande est l’homogénéité de la distribution des particules. Par ailleurs, les agglomérats ont tendance à migrer vers l’aval de l’écoulement, ce qui accélère l’arrêt de l’écoulement. L’augmentation de la fraction volumique effective des particules correspond parfaitement à la dégradation de la fluidité des matériaux composites.     

Investigation on dendritic solidification and microsegregation in presence of melt convection using phase field simulation

Abstract

A phase field model has been used to simulate dendritic solidification of a binary alloy in the presence of forced melt convection. The influence of melt flow on morphology and solute distribution was investigated for various conditions. The results showed that incorporation of fluid flow causes asymmetric dendritic growth which is amplified by increasing fluid velocity. Moreover, it has been found that the effects of melt flow on the growth of different arms depend on the preferred growth orientation of the dendrite with respect to flow direction. Solid microsegregation study of the growing dendrite arm perpendicular to the flow direction indicated that the position of the arm axis varied almost linearly with flow velocity. Introducing an adjusting term called an antitrapping current in the concentration equation prevents solute from being highly trapped in the solid phase and causes the phase field simulations to be more realistic, especially for high undercoolings.

On a utilisé un modèle de champ de phase pour simuler la solidification dendritique d’un alliage binaire en présence de convection forcée du bain. On a examiné l’influence de l’écoulement du bain sur la morphologie et la distribution de soluté sous des conditions variées. Les résultats ont montré que l’incorporation de l’écoulement du fluide produisait une croissance dendritique asymétrique qui est amplifiée par l’augmentation de la vitesse du fluide. De plus, on a trouvé que l’effet de l’écoulement du bain sur la croissance de différentes branches dépendait de l’orientation préférée de la croissance de la dendrite par rapport à la direction de l’écoulement. L’étude de la microségrégation solide de la branche de dendrite en croissance perpendiculaire à la direction de l’écoulement indiquait que la position de l’axe de la branche variait presque linéairement avec la vitesse de l’écoulement. L’introduction d’un terme d’ajustement, appelé courant de contre-piégeage, dans l’équation de concentration empêche le soluté d’être trop piégé dans la phase solide et rend les simulations de champ de phase plus réalistes, particulièrement dans les cas de surfusions élevées.     

AMATHEMATICAL MODEL OF A DC ELECTRIC FURNACE FOR RECOVERY OF ZINC FROM LEAD BLAST FURNACE SLAG

Abstract

A mathematical model has been developed for fluid flow and heat transfer in a prospective process to recover lead and zinc by a DC electric fuming process from lead blast furnace slag. The modelling consisted of several steps. Algebraic equations were used to obtain arc momentum and temperature. Fluid flow simulations were performed to calculate the top slag surface depression and the results were then imposed upon the subsequent fluid flow and heat transfer simulation. Using this procedure, a number of simulations of the DC arc furnace operation were carried out for various conditions. Velocities and temperatures in the slag and metal, as well as sidewall heat fluxes were evaluated with the model. The model predicts, in most cases, that the sidewall heat fluxes were less than 200 kW/m² and they would increase with decreasing furnace diameter and decreasing slag solidus temperature. The results of the model have been useful in the design of a furnace.

On a développé un modèle mathématique de l’écoulement des fluides et de la transmission de chaleur pour un procédé prospectif de récupération du plomb et du zinc par un procédé d’ébullition avec courant électrique continu à partir de la scorie de plomb du haut-fourneau. La modélisation consiste en plusieurs étapes. On a utilisé des équations algébriques pour obtenir la quantité de mouvement et la température de l’arc. On a effectué des simulations d’écoulement de fluide pour calculer la dépression de la surface de la scorie et l’on a ensuite imposé les résultats à la simulation subséquente d’écoulement de fluide et de transmission de chaleur. Utilisant cette procédure, on a exécuté un certain nombre de simulations du fonctionnement du four à arc à courant continu sous des conditions variées. Au moyen du modèle, on a évalué la vélocité et la température de la scorie et du métal ainsi que le flux de chaleur des parois latérales. Dans la plupart des cas, le modèle a prédit que le flux de chaleur des parois latérales était moins de 200 kW/m² et qu’il augmenterait avec une diminution du diamètre du four et une diminution de la température de solidus de la scorie. Les résultats du modèle ont été utiles pour la conception d’un four.     

Effect of particle size distribution on recovery of coarse chalcopyrite and galena in Denver flotation cell

Abstract

The flotation recovery by particle size of single mineral chalcopyrite and galena was studied in a Denver flotation cell, using sodium dicresylthiophosphate (DTP) and sodium isopropyl xanthate (SIPX) as collectors and polypropylene glycol (PPG) as a frother. The study was extended to very coarse particle size (up to 1·6 mm). Froth stability was also measured in parallel to the batch flotation tests, in a specifically designed froth stability column, following the Bikerman approach. It is shown that particles up to 850 μm can be floated successfully, provided they are liberated and hydrophobic. However, the recovery of both chalcopyrite and galena was strongly influenced by the overall particle size distribution, decreasing sharply as the fraction of fines (?106 μm) in the feed also decreased. Rheology measurements showed negligible differences in pulp viscosity, and therefore in the collection zone hydrodynamics, between the different conditions tested. Froth stability, on the contrary, decreased as the feed particle size distribution became coarser. Correlation was found between the amount of fines in the pulp, froth stability and flotation recovery. The recovery of mineral particles is critically dependent on froth stability, which in turn is highly influenced by the overall particle size distribution of the feed material. For these reasons, the study also suggests that it is not possible in batch flotation to determine the rate and recovery of the coarse particle size fractions floating them independently from the fine size fractions.

Dans une cellule de flottation de Denver, on a étudié la récupération par flottation en fonction de la taille de particule d’un minéral unique de chalcopyrite ou de galène, en utilisant du dicrésyle thiophosphate de sodium (DTP) et de l’isopropyle xanthate de sodium (SIPX) comme agents collecteurs et du polypropylène glycol (PPG) comme agent moussant. On a étendu l’étude à la taille de particule très grossière (jusqu’à 1·6 mm). On a également mesuré la stabilité de la mousse en parallèle aux essais de flottation discontinue, dans une colonne de stabilité de la mousse spécialement conçue, d’après l’approche de Bikerman. On montre que l’on peut faire flotter avec succès des particules ayant jusqu’à 850 μm, à la condition qu’elles soient libres et hydrophobes. Cependant, la récupération, tant de la chalcopyrite que de la galène, était fortement influencée par la distribution globale de la taille de particule, diminuant sévèrement à mesure que la fraction de particules fines (?106 μm) dans l’alimentation diminuait. Les mesures de rhéologie montraient des différences négligeables dans la viscosité de la pulpe et ainsi dans l’hydrodynamique de la zone de collection, parmi les différentes conditions évaluées. Au contraire, la stabilité de la mousse diminuait à mesure que la distribution de la taille de particule de l’alimentation devenait plus grossière. On a trouvé une corrélation entre la quantité de particules fines dans la pulpe, la stabilité de la mousse et la récupération par flottation. La récupération des particules minérales dépend, de façon critique, de la stabilité de la mousse qui, à son tour est hautement influencée par la distribution globale de la taille de particule du matériel d’alimentation. Pour ces raisons, l’étude suggère également qu’il n’est pas possible, en flottation discontinue, de déterminer la vitesse et la récupération des fractions de taille de particules grossières, en les faisant flotter indépendamment des fractions de taille fine.     

RESIDENCE TIME OF METAL DROPLETS IN SLAG-METAL-GAS EMULSIONS THROUGH TOP GAS BLOWING

Abstract

A mathematical model for evaluating the residence time of metal droplets in slag-metal-gas emulsions through top gas blowing is proposed. The model is based on the equation of accelerated moving bodies in a moving fluid. The parameters used in the model are based on the available data from both room and high temperature experiments. Using the proposed model provides a formal way to extend the experimental results of the residence time of the droplets for an evaluation of the conditions in an industrial furnace. This connects theoretical understanding, experimental results and plant data in to a coherent and quantitative model of the process.

On propose un modèle mathématique pour évaluer le temps de séjour de gouttelettes de métal dans des émulsions de scorie–métal–gaz par soufflage de gaz vers le haut. Le modèle est basé sur l’équation des corps accélérés en mouvement dans un fluide en mouvement. Les paramètres utilisés dans le modèle sont basés sur les données disponibles provenant tant d’expériences à la température de la pièce qu’à hautes températures. Utilisant le modèle proposé fournit une manière formelle d’étendre les résultats expérimentaux du temps de séjour des gouttelettes à une évaluation des conditions dans un four industriel. Ceci rattache la compréhension théorique, les résultats expérimentaux et les données de l’usine en un modèle cohérent et quantitatif du procédé.     

Effect of pulp rheology on flotation of nickel sulphide ore with fibrous gangue particles

Abstract

Tests are carried out with suspensions of fibrous chrysotile particles and nickel sulphide ore containing chrysotile as a gangue. They corroborate published results, and indicate a very strong effect of particle shape on slurry rheology. Such suspensions exhibit time dependent properties. The flotation tests revealed that the viscosity of this system strongly affects flotation performance. At a solids concentration of 15–20% (w/w), the concentrate yield increases and the concentrate grade dramatically declines. This deterioration is observed when the Casson yield stress exceeds 1·5–2 Pa. The tests imply that the rheological properties of the investigated system are mainly determined by fibrous components. However, because of the presence of anisotropic mineral particles, the effect of particle–particle interactions cannot be separated from the effect of particle shape in this system.

On effectue des essais avec des suspensions de particules fibreuses de serpentine et de minerai de sulfure de nickel contenant de la serpentine comme gangue. Ces essais confirment les résultats publiés et indiquent un effet très prononcé de la forme des particules sur la rhéologie de la boue. De telles suspensions exhibent des propriétés dépendantes du temps. Les essais de flottation ont révélé que la viscosité de ce système affecte grandement le rendement de la flottation. À une concentration en solides de 15 à 20% (poids/poids), la production de concentré augmente et la qualité du concentré décline dramatiquement. Cette détérioration est observée lorsque la contrainte de Casson excède 1·5 à 2 Pa. Les essais impliquent que les propriétés rhéologiques du système étudié sont déterminées principalement par les composantes fibreuses. Cependant, à cause de la présence de particules minérales anisotropes, on ne peut pas séparer l’effet des interactions particule-particule de l’effet de la forme des particules dans ce système.     

Modelling of mixing,mass transfer and phase distribution in a Peirce–Smith converter model

Abstract

This study presents a numerical and physical modelling study of flow pattern, mixing, solid–liquid mass transfer and slag matte phase distribution in an industrial Peirce–Smith converter (PSC) slice model. The two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) numerical simulations of the three phase system were carried out using volume of fluid (VOF) and realisable k?? (RKE) turbulence model to account for the multiphase and turbulence nature of the flow respectively. These models were implemented using the commercial computational fluid dynamics (CFD) numerical code FLUENT. In physical simulations, water, kerosene, air and sintered benzoic acid compacts were used to simulate matte, slag, injected gas and solid additions into PSC. Both numerical and physical simulations were able to predict, in agreement, the mixing and dispersion characteristics of the system in relation to different blowing conditions employed in this study. Measurement of dimensionless turbulence characteristic values conclusively indicated that fluid flow in PSC is stratified.

Ce document présente une étude de modélisation numérique et physique de la configuration de l’écoulement, du mélangeage, du transfert de masse solide-liquide et de la distribution de phase scorie-matte dans un modèle en tranches de convertisseur industriel Peirce–Smith (PSC). On a effectué les simulations numériques 2D et 3D du système à trois phases en utilisant le modèle du Volume de Fluide (VOF) et de la turbulence réalisable (RKE) pour tenir compte des phases multiples et de la nature turbulente de l’écoulement, respectivement. On a exécuté ces modèles en utilisant le code numérique commercial de la dynamique numérique des fluides (CFD) FLUENT. Dans les simulations physiques, on a utilisé de l’eau, du kérosène, de l’air et des compacts frittés d’acide benzoïque pour la simulation de la matte, de la scorie, du gaz d’injection et des additions de solide dans le PSC. Les simulations numériques et physiques étaient toutes deux capables de prédire, en accord, les caractéristiques de mélangeage et de dispersion du système en relation avec les différentes conditions de soufflage utilisées dans cette étude. La mesure des valeurs caractéristiques sans dimension de la turbulence indiquait décisivement que l’écoulement du fluide dans le PSC était stratifié.     

Mechanism of Oxidation of Pyrite,Chalcopyrite and Bornite During Flash Smelting

Abstract

The oxidation processes of pyrite, chalcopyrite and bornite were studied under simulated flash smelting conditions. The influence of temperature, in the range from 733 to 1473 K and of oxygen partial pressure (3.5 and 21 kPa) on the degree of sulphide particle oxidation was determined. It was established that under the same conditions, the highest degree of oxidation was achieved for pyrite particles and the oxidation of bornite particles was the slowest process.

It was established with electron probe microanalysis (EPMA) that migration of iron ions towards the reaction surface took place during sulphide particle oxidation on flash smelting. This process considerably influenced the path of phase transformations in the oxidizable particles.

Based on the experimental results, a dependence has been found between the shape of reacted particle and the degree of particle phase transformation. Mechanisms have been proposed for pyrite, chalcopyrite and bornite oxidation in flash smelting, on the basis of results obtained.

The adequacy of mechanisms proposed was tested by investigating the shaft product taken from the flash smelting furnace (Pirdop, Bulgaria) obtained when sulphide copper blend was smelted to a matte containing 55% of Cu.

On a étudié les processus d’oxydation de la pyrite, de la chalcopyrite et de la bornite sous des conditions simulées de fusion flash. On a déterminé l’influence de la température, dans la gamme de 733 à 1473 K, et de la pression partielle de l’oxygène (3.5 et 21 kPa) sur le degré d’oxydation de particule de sulfure. On a établi que, sous les mêmes conditions, le plus haut degré d’oxydation est obtenu pour les particules de pyrite alors que l’oxydation des particules de bornite est le processus le plus lent.

On a établi au moyen d’analyse par microsonde électronique (EPMA) que la migration des ions de fer vers la surface de réaction a lieu pendant l’oxydation de la particule de sulfure au moment de la fusion flash. Ce processus influence considérablement la route des transformations de phase des particules oxydables.

Basé sur les résultats expérimentaux, on a trouvé une dépendance entre la forme d’une particule ayant réagi et le degré de transformation de phase de la particule. On propose des mécanismes d’oxydation de la pyrite, de la chalcopyrite et de la bornite dans la fusion flash, sur la base des résultats obtenus.

On a évalué l’adéquation des mécanismes proposés en étudiant le produit de la cuve pris du four de fusion flash (Pirdop, Bulgarie) obtenu lorsqu’un mélange de sulfure et de cuivre était fondu en une matte contenant 55% de Cu.     

Austenite particle coarsening and delta-ferrite grain growth in model Fe–Al alloy

Abstract

The grain growth kinetics of delta-ferrite was investigated in a model Fe–Al alloy in which a small volume fraction of austenite particles is used to control grain growth. The specimens were heated to different temperatures in the two phase (delta-ferrite+austenite) region and held for times between 5 min and 288 h followed by water quenching. The coarsening kinetics of the austenite particles could be described both in terms of bulk (t^1/3) and grain boundary (t^1/4) diffusion. The growth of the delta-ferrite grains was dominated by the pinning effect of the austenite particles. When the particle pinning pressure was much larger than the driving force for grain growth, the growth of delta-ferrite grains was completely pinned. Under conditions in which the particle pinning force and the driving force for grain growth were comparable, ferrite grain growth occurred at a rate which is proportional to the rate of coarsening of the austenite particles. When the particle pinning force is smaller than the driving force, grain growth occurs at a rate which is lower than that expected without pinning.

On a examiné la cinétique de croissance de grain de ferrite delta dans un alliage modèle de Fe-Al dans lequel une petite fraction volumique de particules d’austénite est utilisée pour contrôler la croissance de grain. On a chauffé les échantillons à différentes températures dans la région à deux phases (ferrite delta + austénite) et on les a maintenus pour des durées allant de 5 minutes à 288 heures, puis on les a trempés à l’eau. On pourrait décrire la cinétique de grossissement des particules d’austénite tant en fonction de la diffusion volumique (t^1/3) que de la diffusion aux joints de grain (t^1/4). La croissance des grains de ferrite delta était dominée par l’effet d’épinglage des particules d’austénite. Lorsque la pression d’épinglage de particule était beaucoup plus grande que la force motrice pour la croissance de grain, la croissance des grains de ferrite delta était entièrement épinglée. Dans les conditions où la force d’épinglage de particule et la force motrice pour la croissance de grain étaient comparables, la croissance de grain de ferrite se produisait à une vitesse proportionnelle à la vitesse de grossissement des particules d’austénite. Lorsque la force d’épinglage de particule était plus petite que la force motrice, la croissance de grain se produisait à une vitesse plus faible que la vitesse sans épinglage.     

Electric resistivity of fine chromite ore: measurement and prediction

Abstract

Fine chromite ore is a common raw material used to produce ferrochrome alloy by submerged electric arc furnace process. The electric resistivity of fine chromite ore determines current distribution, which in turn, affects operation efficiency during the process. The effects of particle size and contact area of the particles on the electric resistivity of several types of chromite were investigated at room temperature. The relationship between the electric resistivity of mixed particles and the volume fraction of lump ore to fine ore was also studied. Contact resistivity decreases with increasing box-counting dimension. Finally, a ‘parallel connection circuit model’ for predicting the electric resistivity of the chromite mixture was developed. Results show that electric resistivity increases as particle size increases, and that the electric resistivity of the mixture decreases with increasing volume ratio of fine ore. The electric resistivity calculated by the parallel connection circuit model is consistent with measurements.

Le minerai fin de chromite est un matériau brut commun utilisé dans la production d’alliage de ferrochrome par le procédé du four électrique à arc submergé. La résistivité électrique du minerai fin de chromite détermine la distribution du courant, qui, à son tour, affecte l’efficacité de l’opération lors du procédé. On a examiné, à la température de la pièce, l’effet de la taille de particule et de l’aire de contact des particules sur la résistivité électrique de plusieurs types de chromite. On a également étudié la relation entre la résistivité électrique de particules mélangées et la fraction volumique du minerai en bloc par rapport au minerai fin. La résistivité par contact diminuait avec une augmentation de la dimension de boîtes. Finalement, on a développé un ″modèle de circuit à connexions en parallèle″ pour la prédiction de la résistivité électrique du mélange de chromites. Les résultats montrent que la résistivité électrique augmente avec une augmentation de la taille de particule et que la résistivité électrique du mélange diminue avec une augmentation de la densité relative de minerai fin. La résistivité électrique calculée au moyen du modèle de circuit à connexions en parallèle est en accord avec les mesures.     

Effect of damaged liners and roping on classification performed by 6 inch hydrocyclone

Abstract

Mineral processing plants use hydrocyclones to classify coarse and fine particles. The hydrocyclone is a robust piece of equipment whose operation can be hampered by mechanical and operation problems. This paper assesses the effect of mechanical defects and roping on the partition curve of a 15 cm hydrocyclone. Two types of liner damages in the cylinder of the hydrocyclone were tested and not found to deteriorate significantly the classification of particles in the unit. Results obtained at the transition from spay to rope discharge show that a roping condition does not impact significantly the quality of the hydrocyclone classification.

Les usines de traitement de minerais utilisent des hydrocyclones pour classifier les particules selon leur poids. L’hydrocyclone est une pièce d’équipement robuste dont l’opération peut être entravée par des problèmes mécaniques et de fonctionnement. Cet article évalue l’effet des bris mécaniques et de décharge en boudin sur la courbe de efficacité d’un hydrocyclone de 15 cm. Deux types de dommages au revêtement du cylindre de l’hydrocyclone ont été évalués et les résultats ne montraient pas de détérioration significative de la classification des particules dans l’unité. Les résultats obtenus lors de la transition de décharge en parapluie à décharge en boudin montrent que la condition en boudin n’a pas d’impact important sur la qualité de la classification de l‘hydrocyclone.     

Furnace refractory practice at Manitoba Rolling Mills

Abstract

Iron is considered as an impurity in aluminium alloys due to its detrimental impact on strength and ductility. Much work has been carried out to reduce the iron levels in recycled aluminium alloys. In this investigation, the influence of Mn additions for reducing the Fe content in an Al–Si alloy has been studied. The experimental results and thermodynamic calculations revealed that a reduction of up to 62%Fe content can be achieved. The major mechanism of iron removal is the formation of the primary α-AlFeMnSi particles when held at lower temperatures. The characteristics and compositions of these particles, which settle on the bottom of the alloy melts, were confirmed using optical microscopy and X-ray diffraction techniques.

Dans les alliages d’aluminium, le fer est considéré comme une impureté en raison de son effet négatif sur la résistance et la ductilité. Des travaux ont été menés pour réduire la quantité de fer dans les alliages d’aluminium recyclé. L’étude menée porte sur l’influence des ajouts de manganèse visant à réduire la teneur en fer dans un alliage Al–Si. Les résultats expérimentaux et les calculs thermodynamiques ont révélé qu’il est possible d’atteindre une réduction de 62% de la teneur en Fe. Le principal mécanisme d’extraction du fer est la formation de particules d’alliage α-AlFeMnSi lorsque des températures plus basses sont maintenues. Les caractéristiques et la composition de ces particules, qui se déposent au bas des fontes d’alliage, ont été confirmées à l’aide de microscopie optique et de techniques de diffraction des rayons X.     

Fine particle strengthening in Cu-0.35 wt% Cr

Abstract

The flow stress of polycrystalline, Cu-0.35wt% Cr, containing precipitate less than 130Å in diameter, has been investigated.

The flow stress can be described in terms of a grain size effect, given by a Petch type relationship, in addition to strengthening effects resulting from dislocation particle interactions. The precise mechanism by which dislocation particle strengthening occurs has not been determined unambiguously, but the present results and their agreement with published data suggest that the dislocation particle contribution to flow stress is controlled by coherency effects.

Résumé.

Les auteurs ont étudié la contrainte d'écoulement d'échantillons poly cristallins de Cu-0.35% Cr contenant des précipités ayant un diamétre inférieur à 130Å.

La contrainte d'écoulement peut etre expliquée en termes d'un effet de taille de grains selon une relation du type Petch, auquel s'ajoutent des effets de durcissement résultant des interactions dislocations?particules. Le mécanisme exact par lequel le durcissement dislocations?particules a lieu n'est pas identifie sans ambiguïté, rnais les résultats actuels et l'accord avec les donnees publiees indiquent que des effets de coherence controlent la contribution à la contrainte d'écoulement venant des interactions dislocations?particules.     

Effect of welding parameters on the mechanical properties of AA2024 aluminium alloy joints welded by resistance seam welding

In this study, sheets of aluminium alloy 2024-T6 of 1?6 mm thickness were welded using the technique of resistance seam welding (RSEW) with different welding parameters. The peak load, energy absorption and failure mode obtained from tensile shear tests were used to describe the mechanical performance of seam welds. The results revealed that the increase in welding current and time and the decrease in electrode force increased tensile shear strength. The interfacial to pullout transition for the AA2024 seam welds occurred at a critical weld nugget (WN) diameter of 3?77 mm. In addition, a hardness evaluation was carried out in order to determine the effect of welding parameters on the welded joints and it was found that the developed heat affected the joint hardness.

Dans cette étude, on a soudé des feuilles d’alliage d’aluminium 2024-T6 de 1·6 mm d’épaisseur en utilisant la technique de soudage par résistance en ligne continue avec différents paramètres de soudage. On a utilisé la charge maximale, l’absorption d’énergie et le mode de défaillance obtenus à partir des essais de traction en cisaillement pour décrire le rendement mécanique des soudures en ligne continue. Les résultats ont révélé que l’augmentation du courant de soudage et de la durée ainsi que la diminution de la force de l’électrode augmentaient la résistance au cisaillement par traction. La transition de l’interface à l’arrachement des soudures en ligne continue de l’AA2024 se produisait à un diamètre critique du noyau de soudure de 3·77 mm. De plus, on a évalué la dureté afin de déterminer l’effet des paramètres de soudage sur les joints soudés. On a trouvé que la chaleur développée affectait la dureté du joint.     

THE TRANSITION FROM FREE STREAM FLOW TO DRIPPING IN DRAINING VESSELS

Abstract

In numerous metals processing operations, molten metal is transferred between furnace and ladle or ladle and tundish. In other operations such as the atomization of melts, the stream is directed from a nozzle into an atomizing chamber. The control of melt flow rate, the generation of a well defined stream and the transition from free stream flow to dripping are useful conditions to quantify. A model is proposed in this work to calculate the height of a fluid in a vessel where the stream flowing from an orifice at the bottom of the vessel will revert to dripping. The model accounts for fluid properties including density, viscosity and surface tension. Model results clearly show that melt viscosity is a critical variable in determining the melt height at which flow reverts from a continuous stream to dripping.

Dans de nombreuses opérations de traitement des métaux, le métal fondu est transféré entre le four et la poche de coulée ou entre la poche de coulée et le distributeur. Pour d’autres opérations comme l’atomisation de métaux fondus, le flot est dirigé d’un injecteur vers une chambre d’atomisation. Le contrôle du débit de métal fondu, la production d’un flot bien défini et la transition d’un écoulement de flot libre en un égouttement sont des conditions utiles à quantifier. Dans ce travail, on propose un modèle pour calculer la hauteur d’un fluide dans une cuve où le flot s’écoulant d’un orifice au bas de la cuve va se changer en un égouttement. Le modèle tient compte des propriétés du fluide, incluant la densité, la viscosité et la tension superficielle. Les résultats du modèle montrent clairement que la viscosité du métal fondu est une variable critique dans la détermination de la hauteur de métal fondu à laquelle l’écoulement se change d’un flot continu en un égouttement.     

Aluminum foam stabilization by solid particles

A room temperature water model and a high temperature molten aluminum systemwere designed and constructed to investigate the effect of solid particles on the stabilization offoams. The average foam life was used to evaluate the stability of the foam. The effects of particlesize, wetability, and concentration of the SiO₂ particles were investigated at variousgas flow rates in the room temperature system. The results indicated that only SiO₂particles with suitable wetability can stabilize liquid foam. The foam stability increases withdecreasing particle size and increasing particle concentration. The effects of melt temperature andSiC particle concentration on aluminum foam stabilization were investigated in the hightemperature system. It was found that a critical concentration of SiC particles was necessary forfoaming to occur. The foam height increased with increasing concentration of SiC particles. Thestability of the foam decreases with increasing temperature.On a conçu et construit un modèle aqueux à la température dela pièce ainsi quun systèmedaluminium fondu à haute température afin détudier leffet de particules solides sur la stabilisation décumes. On a utilisé la vie moyennede lécume pour évaluer sa stabilité. On a étudié leffet de la taille de particule, de la mouillabilité et de laconcentration de particules de SiO₂, à divers taux découlement de gaz, sur le système à la température de la pièce. Les résultats indiquent que seules les particulesde SiO₂ ayant une mouillabilitié adéquate peuvent stabiliser lécume liquide. La stabilité de lécume augmente avec unediminution de la taille de particule et avec laugmentation de leur concentration. On a étudié leffet de la température de fonte et de la concentration de particules de SiC sur la stabilisation décume daluminium du système à haute température. On a trouvé quune concentration critique de particules de SiC était nécessaire pour que lécumage se produise. La hauteur de lécume augmentait avec uneaugmentation de la concentration de particules de SiC. La stabilitéde lécume diminue avec une augmentation de la température. © 1999 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published byElsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Effect of Extended Grinding on the Dissolution of A Ta/Nb Concentrate

Abstract

A tantalum/niobium concentrate was ball milled for up to 100 hours in a laboratory mill without any evidence of a phase change other than a decrease in unit cell symmetry. After 2 hours of milling, the dry milled powders had passed through their maximum BET surface areas and milling for longer times resulted in a decreased surface area. The surface area of wet milled powders continued to increase with milling time. These differences were attributed to the presence of water hindering, impact induced rewelding of the particles.

The extent of dissolution in a mixture of hydrochloric acid and sodium fluoride increased with milling time until over 86% of the concentrate was solubilised in 24 hours. It was found that a powder milled for 50 hours dissolved 4500 times more rapidly than a powder milled for 2 hours. Both strong acid and high fluoride were required for the maximum rate. The dissolution was shown to be two stages: an initial, rapid solution diffusion controlled reaction followed by a slower chemically controlled step. The dissolution associated with the fast step increased with milling time.

On a broyé (avec des billes) un concentré de tantalum/niobium, jusqu'à 100 h, dans un broyeur de laboratoire, sans évidence d'un changement de phase, à part une diminution de la symétrie de l'unité cellulaire. Après 2 h de broyage, les poudres broyées à sec sont passées par leur superficie maximum BET alors que le broyage pour de plus longues durées a résulté en une diminution de la superficie. La superficie de poudres broyées avec fluide a continué à augmenter avec la durée de broyage. On a attribué ces différences à la présence de l'eau qui empêchait le re-soudage des particules, induit par impact.

Le degré de dissolution dans un mélange d'acide chlorhydrique et de fluorure de sodium a augmenté avec la durée de broyage, jusqu'à ce que plus de 86% du concentré soit solubilisé en 24 heures. On a trouvé qu'une poudre broyée pendant 50 h se dissolvait 4500 fois plus rapidement qu'une poudre broyée pendant 2 h. Un acide fort ainsi qu'un contenu élevé en fluorure étaient requis pour le taux maximum. On a montré que la dissolution se produisait en deux étapes, une réaction initiale rapide de solution contrôlée par diffusion, suivie par une étape plus lente contrôlée chimiquement. La dissolution associée avec l'étape rapide augmentait avec la durée de broyage.     

Effects of ceramic particles and composition on elastic modulus of low density steels for automotive applications

The present work deals with the effects of TiB₂ ceramic particles and selected alloying elements (Al and Mn) on the elastic modulus of steels. Steels and its composite containing varying amounts of Al, Mn and C, and a fixed amount of TiB₂ particles (7·8 wt-% i.e. 13 vol.-%) were made using the bulk route of liquid steel metallurgy. All the materials were processed thermomechanically to sheet form following standard processing routes for automotive sheets. The steels containing only Al exhibited ferritic microstructures whereas addition of Mn and C caused the evolution of ferrite or austenite based duplex microstructures in the material depending on the Mn and C content. On the contrary, large TiB₂ particles formed mainly by eutectic reaction from the liquid state were distributed in the ferritic matrix of the composite. All the investigated materials showed a large density drop in the range of 7·4–12·7%. Al caused a drastic drop in elastic modulus of ferritic steels whereas the elastic modulus was recovered in ferrite based duplex steel by virtue of Mn. On the contrary, Mn did not improve the elastic modulus in austenite based duplex steel. TiB₂ and small amount of TiC particles in the composite were found to increase the elastic modulus by ～19% in as cast condition. However, the elastic modulus of composite showed a dependence on the processing steps with decreases after subsequent hot and cold rolling steps. It was due to the delamination of particle/matrix interface, void formation and fragmentation of reinforcing particles with reduction in thickness of sheet. The elastic modulus of the composite also showed directionality due to specific alignment and various shape of ceramic particles. It was predicted that the performance and weight saving of these materials for automotive applications would be enhanced with a good combination of high strength, low density and high elastic modulus.

Ce travail a pour objet l’effet des particules de céramique de TiB₂ et d’éléments d’alliage choisis (Al et Mn) sur le module d’élasticité des aciers. On a fabriqué des aciers et leurs composites contenant des quantités variables d’Al, de Mn et de C et une quantité fixe de particules de TiB₂ (7·8% en poids, soit 13% en volume) en utilisant la route en vrac de la métallurgie de l’acier brut liquide. On a utilisé le traitement thermomécanique sur tous les matériaux pour former des tôles d’après des routes normales de traitement des tôles d’automobile. Les aciers contenant seulement de l’Al exhibaient des microstructures ferritiques alors que l’addition de Mn et de C résultait en l’évolution de microstructures biphasées à base de ferrite ou d’austénite dans le matériau, dépendant de la teneur en Mn et en C. Au contraire, de grosses particules de TiB₂, formées principalement par réaction eutectique à partir de l’état liquide, étaient distribuées dans la matrice ferritique du composite. Tous les matériaux examinés exhibaient une baisse importante de densité dans la gamme de 7·4 à 12·7%. L’Al avait pour résultat une baisse drastique du module d’élasticité des aciers ferritiques alors que le module d’élasticité était récupéré dans l’acier biphasé à base de ferrite, grâce au Mn. Au contraire, le Mn n’a pas amélioré le module d’élasticité de l’acier biphasé à base d’austénite. On a trouvé que le TiB₂ et une petite quantité de particules de TiC dans le composite augmentaient le module d’élasticité d’environ 19% pour la condition de brut de coulée. Cependant, le module d’élasticité du composite montrait une dépendance sur les étapes de traitement, diminuant avec les étapes subséquentes de laminage à chaud et à froid. Cette baisse résultait du délaminage de l’interface particules et matrice, de la formation de cavité et de la fragmentation des particules de renforcement, avec la réduction de l’épaisseur de la tôle. Le module d’élasticité du composite montrait également une directionnalité résultant de l’alignement des particules de céramique. On a prédit l’amélioration du rendement et de la réduction de poids de ces matériaux pour l’industrie de l’automobile grâce à une bonne combinaison de haute résistance, de faible densité et de module d’élasticité élevé.     

Rheocasting of semi-solid Al359/20%SiC metal matrix composite using SEED process

A Duralcan Al359/20%SiC metal matrix composite was successfully cast using the SEED rheocasting process. Effects of the SEED processing parameters on the microstructure of semi-solid slurries and casting parts were studied. The parameters investigated in this study include pouring temperature, swirling time and swirling speed. The results showed that α-Al grains were nearly spherical and SiC particles were well distributed in both semi-solid slurries and cast parts when using the appropriate SEED parameters. The mechanical properties of the semi-solid cast components under as cast and T6 conditions were also investigated. Results revealed that a significant improvement of tensile properties was achieved when compared to the conventional gravity castings and those obtained from other semi-solid process.

Le composite Duralcan Al359/20%SiC à matrice métallique a été moulé avec succès en utilisant le procédé de rhéomoulage SEED. L’effet des paramètres du traitement SEED sur la microstructure des pâtes semi-solides et sur les pièces moulées a été étudié. Les paramètres examinés dans cette étude incluaient la température de coulée, ainsi que la durée et la vitesse de rotation. Les résultats ont montré que les grains d’Al-α étaient presque sphériques et que les particules de SiC étaient bien distribuées tant dans les pâtes semi-solides que dans les pièces moulées lorsqu’on utilisait les paramètres appropriés de SEED. On a également examiné les propriétés mécaniques des composantes moulées semi-solides à l’état brut de coulée et sous la condition T6. Les résultats ont révélé une amélioration significative des propriétés de traction par rapport aux moulages conventionnels de coulée par gravité et par rapport aux propriétés obtenues avec d’autres procédés semi-solides.