Design of continuous casting machines based on a heat-flow analysis: state-of-the-art review

Abstract

The design of the mould and spray sections of a continuous casting machine for steel has been examined in detail with the aid of a heat-flow mathematical model. The thermal requirements that the design must meet have been established using Experimental data obtained from commercial continuous-casting machines. For the mould, the requirement is the solidification of a sufficiently thick shell; for the sprays, the requirements are the minimization of surface reheating and the maintenance of a reasonably high solidification rate. Correlations are developed which relate the working mould length, casting speed and shell thickness at the mould exit. Design curves are also presented of spray length, spray heat transfer. coefficient and water flux distributions for two sizes of billets. The method by which the theoretical spray water flux distribution can be related to practical spray parameters — spray pressure, nozzle type and arrangement — is also discussed.

Résumé

On a étudié en detail, à l'aide d'un modèle mathématique de l' écoulement de chaleur, la conception du moule et des sections de refroidissement d'une machine de coulée continue pour l'acier. Les exigences thermiques à rencontrer ont été fixées à l'aide de données expérimentales provenant de machines industrielles. Pour Ie moule, l'exigence est la formation d'une carapace solide suffisamment épaisse alors que pour les jets l'exigence consiste en un réchauffement minimal de la surface et le maintien d'un taux de solidification assez élevé. On a développé des corrélations qui relient la longueur effective du maule, le taux de coulée, et l'epaisseur de la carapace à la sortie du moule. L'article inclut des courbes permettant d' établir la longueur de la zone des jets, leur coefficient de transmission de chaleur et les distributions de débit d'eau pour deux dimensions de billettes. Finalement, on discute de la méthode pour relier la distribution du débit théorique d'eau aux paramètres pratiques des jets (pression d'eau aux jets, type et configuration des gicleurs).     

Evolution of Microstructures and Product Opportunities in Low Carbon Steel Strip Casting

Abstract

One of the greatest challenges in the direct casting of low carbon steel strip is the production of material with mechanical properties similar to those obtained via conventional strip production routes. A fundamental understanding of the microstructure evolution from solidification through to the final product is of critical importance in this endeavour. Experimental work was carried out using a special apparatus to establish links between heat transfer, nucleation, solidification, strip microstructures and mechanical properties. This information was used in conjunction with the actual microstructures and properties of strip obtained from a full scale development plant to define the breadth of product opportunities possible from the direct casting of low carbon steel strip.

L'un des plus grands défis de la coulée en moule de fonte de feuillard d'acier à faible carbone est la production de matériel ayant des propriétés mécaniques similaires à celles obtenues par l'intermédiaire des routes conventionnelles de production de feuillard. Une compréhension fondamentale de l'évolution de la microstructure depuis la solidification jusqu'au produit final est d'une importance critique dans cet effort. On a entrepris le travail expérimental en utilisant un appareil spécial afin d'établir des liens entre le transfert de chaleur, la nucléation, la solidification, les microstructures du feuillard et les propriétés mécaniques. On a ensuite utilisé cette information en conjonction avec les microstructures et les propriétés actuelles de feuillards obtenus d'une usine de développement à pleine échelle afin de définir l'ampleur des possibilités de produits obtenus à partir de la coulée en moule de fonte de feuillard d'acier à faible carbone.     

Optimization of Mold Oscillation for High Speed Casting — New Criteria for Mold Oscillation

Abstract

Consistent and uniform lubrication in the mold during casting is an issue especially with high speed casting. However, criteria of mold oscillation related to lubrication, has not been clarified for critical conditions such as thin slab casting. This paper discusses the mechanism of powder penetration into the meniscus, in terms of negative strip area ratio and positive strip time, including the case of non-sinusoidal oscillation which is effective for better mold lubrication. In this context, a lubrication index is proposed as a new criteria which can be used to estimate mold powder consumption rate. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La lubrification consistante et uniforme du moule lors de la coulée est un sujet important, spécialement pour la coulée à haute vitesse. Cependant, les critéres d'oscillation du moule reliés à la lubrification n'ont pas été clarifiés pour des conditions critiques telles que la oulée de brame mince. Ce document discute du mécanisme de pénétration de poudre dans le ménisque, en termes de rapport négatif de surface d'écoulement et de durée positive d'écoulement, incluant le cas d'oscillation non sinusoïdale, plus efficace pour la lubrification du moule. Dans ce contexte, on propose un index de lubrification comme nouveau critére pouvant être utilisé dans l'estimation du taux de consommation de poudre du moule. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

The Influence of Thermofluids Phenomena in Gas Tungsten ARC Welds in High and Low Thermal Conductivity Metals

Abstract

A comprehensive thermofluids numerical model of stationary gas tungsten arc (GTA) welding has been developed and used to examine the effects of thermofluids phenomena on the temperatures and flow velocities in the weld pool and their impact on the resultant weld dimensions for welds produced in high vs low thermal conductivity metals. A dynamic grid re-mapping technique was used to map a block of finite elements into the liquid weld pool to permit use of a k-ε turbulence model in the liquid. Simulations for low conductivity AISI 304 stainless steel show that good correlation with experimental data was only possible if the effects of fluid flow and turbulent mixing in the weld pool were modeled accurately. Conversely, simulations in higher conductivity metals, 6061 and 1100 aluminum, showed that while the average flow velocities and level of turbulence were higher, their effect on the final temperatures and weld pool dimensions were less significant. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

On a développé et utilisé un modèle numérique détaillé de thermofluides du soudage stationnaire TIG (GTA) afin d'examiner les effets des phénomènes des thermofluides sur les températures et les vitesses d'écoulement dans le bain de fusion. On a aussi examiné leur impact sur les dimensions de la soudure qui en résulte pour des soudures produites avec des métaux à haute conductivité thermique par rapport a des metaux a basse conductivite. On a utilisé une technique dynamique de re-cadrage de grille pour délimiter un bloc d'éléments finis dans le bain de fusion liquide afin de permettre l'utilisation d'un modèle de turbulence k-ε dans le liquide. Les simulations avec AISI 304, un acier inoxydable à basse conductivité, montrent qu'une bonne correlation avec les données expérimentales est possible seulement si les effets de l'écoulement du fluide et de l'agitation turbulente dans le bain de fusion sont modèlises avec precision. Inversement, les simulations de métaux à conductivité plus éleveé, aluminium 6061 et 1100, ont montré qu'alors que les vitesses moyennes d'écoulement et le niveau de turbulence etaient plus élevés, leur effet sur les températures finales et sur les dimensions du bain de fusion était moins important. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Modeling of Transient Flow Phenomena in Continuous Casting of Steel

Abstract

This paper describes initial efforts to develop and apply 3D finite-difference models to simulate transient flow in the mold. These transient flow phenomena include flow pattern oscillations caused by sudden changes in nozzle inlet conditions and rapid fluctuations in the molten steel/flux interface level at the top surface of the mold. The flow model incorporates interactions with other transport phenomena, including turbulence, superheat removal and argon gas bubble injection. Predictions are shown for the oscillatory evolution of the flow pattern from biased steady flow to symmetrical steady flow after a sudden change in inlet conditions. In addition, the predicted turbulent kinetic energy levels at steady state are shown to correlate with measured surface level fluctuations. The effect of processing conditions are consistent with experimental findings. Without argon, the greatest level fluctuations are found near the narrow face, while increased argon moves the maximum towards the center. Fluctuations decrease with deeper submergence and lower casting speed. These transient phenomena are important because they may lead to defects in the final steel product from entrainment of slag, disruption of solidification at the meniscus and non-uniform heat transfer. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Ce document décrit les éfforts initiaux de déveoppement et d'application de modèles aux différences finies en 3D à la simulation de l'écoulement transitoire dan le moulé. Ces phénoménés d'écoulement transitoiré incluent les oscillations du patron d'écoulement causées par des changements de conditions de la tuyere d'entrée ainsi que les fluctuations rapides du niveau de l'interface acier fondu/écoulement à la face superiéure du moulé. Le modéle d'écoulement incorpore des interactions avec d'autres phénoménés de transport, incluant la turbulénce, l'énlevement de la surchauffé et l'injection de bulle de gas d'argon. On predit l'evolution oscillatoire du patron d'écoulement, allant d'un écoulement permanént biaise à un écoulement permanent symétrique, après un changement soudain des conditions d'entrée. En plus, on montré que les niveaux predits d'energie cinetiqué turbulente en regime permanent sont correles avec les valeurs mesurées de fluctuations du niveau de la surface. L'effet des conditions du traitement est consistant avec les données experimentales. San argon, le niveau le plus élevé de fluctuations se situe prés de la face etroité alors que l'augmentation d'argon deplace le maximum vers le centre. Les fluctuations diminuent avec une immersion plus profonde et une vitesse de moulage plus lente. Ces phénoménés transitoires sont importants parce qu'ils peuvent conduire à des defauts dan le produit final en acier par entrainement de scories, par derangemént de la solidification au menisqué et par transfert de chaleur non uniforme. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Some Observations on the Pitting Corrosion of Type 302 Stainless Steel in Dilute Oxygenated Halide Solutions

Abstract

Some of the less frequently considered factors that may affect the pitting corrosion of stainless steel are critically reviewed, including the epitaxial relationship between oxide and substrate (assuming that the corrosion resistance of stainless steel is due to a protective surface oxide film), the size of the halide ion, the effect of applied stress and the growth mechanism of the oxide. Some experimental results are presented on the corrosion of Type 302 stainless steel in oxygenated potassium halide solutions at 90°C. It is demonstrated that the progress of pitting may readily be followed by means of potential-time plots, and that pitting is more severe in chloride than in bromide solutions under the experimental conditions used. The frequency of pit initiation, and the rate of attack after corrosion has begun, depend upon solution concentration. Pitting attack appears to require the prior formation of a protective surface film; air-oxidized surfaces behave identically to those oxidized in aqueous solution.

Résumé

On passe en revue avec commentaires quelques uns des facteurs les moins souvent considérés, pouvant affecter la corrosion en piquage de l'acier inoxydable, y compris la relation epitaxiale entre l'oxyde et le substratum (en supposant que la résistance à la cortosion de l'acier inoxydable est due à un film d'oxyde superficiellement protecteur), la dimension de l'ion d'halogenure, l'effet, de la contrainte appliquee, et le mécanisme de croissance de l'oxyde. Quelques résultats expérimentaux sont presentés sur la corrosion de l'acier inoxydable du type 302 dans des solutions d'halogénure de potassium oxygéné à 90°C. On démontre qu'on peut suivre facilement le progrès du piquage au moyen de graphiques potentieltemps, et que le piquage est plus grave dans des solutions de chlorure que dans celles de bromure dans les conditions expérimentales utilisées. La fréquence du début de piqûe, et la vitesse d'attaque après que la corrosion a commencé, dépendent de la concentration de la solution. L'attaque en piquage semble nécessiter la formation prealable d'un film superficiel ptotecteur; les surface oxydées à l'air se comportent de maniére identique à celles oxydées en solution aqueuse.     

Effect of Mold EMS Design on Billet Casting Productivity and Product Quality

Abstract

Increased casting productivity, especially with the introduction of high speed billet casting (HSBC), re-emphasized the importance of high performing mold electromagnetic stirring (M-EMS) in attaining the targets of productivity and product quality. To provide operating flexibility and to enhance metallurgical performance, adapting M-EMS design to the requirements of casting practice with either the open stream pouring or submerged entry nozzle (SEN) has become critical. In that context, it is especially important to assess the effects of EMS design parameters that control stirring velocity in the meniscus region and the rest of the mold. Such a control is the key to EMS compatibility with the continuous casting practice and its high metallurgical performance.

In this paper, we discuss different M-EMS designs with reference to their metallurgical performance. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

L'augmentation de la productivité de coulée, spécialement avec l'introduction de la coulée de billette a haute vitesse (HSBC), a de nouveau attiré l'attention sur l'importance de l'agitation électromagnétique à haute performance du moule (M-EMS) pour atteindre les cibles de productivité et de qualité de produit. Afin de fournir une flexibilité d'operation et pour améliorer la performance métallurgique, il est critique d'adapter la conception M-EMS aux exigences de la pratique de coulée avec soit le déversement à jet libre ou avec un ajutage d'entrée submergé (SEN). Dans ce contexte, il est specialement important d'evaluer l'effet des paramètres de conception du EMS qui contrôlent la vitesse de mélange dans la region du menisque et dans le reste du moule. Un tel contrôle est la de de la compatibilite du EMS avec la pratique de coulee continue et de sa haute performance metallurgique.

Dans ce document, nous discutons de différents concepts de M-EMS avec référence à leur performance métallurgique. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Control of Inclusion Characteristics in Direct Cast Steel Billets

Abstract

Two main criteria are used to characterize steel cleanliness. First the number and size of inclusions must be at the minimum level achievable with state-of-the-art steelmaking and casting equipment and procedures. Second the remaining small inclusions must have a chemical composition suitable for the steel application. In high carbon steel destined for wire drawing, inclusions need to be as deformable as possible.

In this paper the inclusion behavior during hot rolling continuously cast (c.c.) billets to wire rods is reviewed. The relationship between inclusion deformability and composition was investigated at the laboratory scale and the results were applied to the control of cleanliness in c.c. billets. Production parameters affecting steel cleanliness are discussed. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Deux critères sont principalement utilisés pour caractériser la propreté d'un acier. Tout d'abord le nombre et la taille des inclusions doivent etre réduits au minimum possible en utilisant les techniques de pointe de production et de coulee de l'acier. De plus, les inclusions de petite taille demeurant dans l'acier doivent avoir une composition sur mesure compte tenu de l'application de l'acier. Dans les aciers haut carbone utilisés pour le tréfilage, les inclusions doivent etre trés dèformables.

Dans cet article, le comportement des inclusions au cours du laminage a chaud de billettes de coulée continue est revu. Les résultats d'une étude sur la relation entre la composition des inclusions et leur déformabilité y sont présentés. Enfin, l'effet de differents paramètres de production de l'acier sur le contenuen inclusions est discute. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

A Perspectival Review of Rail Behavior at the Facility for Accelerated Service Testing

Abstract

The rail metallurgy tests which have been undertaken at the Facility for Accelerated Service Testing are described. The best of the premium metallurgies has been found to wear approximately 3 to 4 times better than standard rail in the unlubricated regime. However, in the lubricated regime, the maximum improvement in wear rate achievable by the use of a premium rail has been found to be only about 50 %. A strong effect of equivalent carbon has been observed for standard and HiSi rail in the underlubricated regime. Reduced wear and metal flow has led to increased fatigue failure of rail. The failure rate of standard rail at FAST is consistent with failure behavior of standard rail elsewhere in U.S. Railroad service when allowances are made for difference in wheel load. The growth of a transverse crack in the head of a rail is shown to be consistent with predictions made from simple linear elastic fracture mechanics considerations where the flexural stresses are augmented by the curving action of the train and substantial axial residual tensile stresses are assumed to exist under the work hardened running surface region of the rail head.

Résumé

Les essais de métallurgie des rails entretenus au Laboratoire d'Essais de Service Accéléré (F.A.S.T.) sont décrits. On constate que les meilleurs aciers primium résistent á l'usure de 3 á 4 fois plus longtemps que les aciers standards, dans un régime non-lubrifié. Cependant, dans le cas d'un regime lubrifié, l'amelioration maximum pour l'utilization d'un rail d'acier primium ne dépasse guére 50 %. Un effet important d'équivalent en carbone a été constate pour le rails standards et de haute teneur in Si (“Hi Si”) dans le régime so us lubrifié. Une réduction en déformation plastique et en usure ont provoqué une augmentation du taux de rupture due à la fatigue. Le taux de rupture du rail standard au F.A.S.T. est corroboré par le comportement des rails standards dans les voies ferrees des E.U. en tenant compte des differences dans les charges des roues. La croissance d'une fissure transversale dans le champignon du rail est compatible avec les prédictions de la mécanique de fracture élastique simple dans le cas ou les efforts en flexion sont augmentes par l'action de direction du train et si l'on admet que des tractions axiales residuelles importantes existent sous la region écrouie de la bande de roulement du champignon du rail.     

The Implementation of a Mathematical Model to Characterize Mold Metal Interface Effects in Metal Casting

Abstract

The formation of the air gap at the mold/metal interface during casting is responsible for considerable changes in local cooling rates. Often, boundary conditions input to a mathematical model have routinely been guessed at (often inaccurately) or have been determined experimentally, both of which can introduce difficulties in predicting solidification history. A novel technique which minimizes the error associated with selecting boundary conditions without experimentation is proposed. Advance knowledge of air gap formation and its correlation to the heat transfer coefficient at the mold/metal interface is used to formulate a coupled mathematical model which determines the growth of the air gap and predicts the instantaneous cooling conditions at a given mold wall. The accuracy of the simulation is consequently improved and the need to match experimental boundary conditions is eliminated. This paper presents the current results of an ongoing research program. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La formation d'un espace d'air à l'interface moule/métal lors du coulage est résponsable de changements considerables des taux de refroidissément locaux. Souvent, les conditions limites d'entrée d'un modéle mathematiqué ont fait 1'0bjet, par routine, d'une estimation (souvent incorrecte) ou ont été determinées experiméntalement, les deux methodés pouvant introduiré des difficultés dans la prediction de l'histoiré de la solidification. On propose une nouvellé technique qui minimise l'erréur associée avec la selection de conditions limites sans expérimentation. La connaissance, à l'avance, de la formation d'un espace d'air et sa correlation avec le coefficient de transfert de chaleur à l'interface moulé/metal est utilisée dans la formulation d'un modéle mathematiqué couple. Ce modéle determine la croissance de l'espace d'air et predit les conditions de refroidissément instantane à une paroi donnée du moule. L'éxactitude de la simulation est ameliorée, consequemment, et on elimine le besoin d'association à des conditions limites experimentales. Ce document présente les résultats courants d'un programme de recherche en cours. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Some Aspects of Thermal Analysis and Technology Upgrading in Steel Continuous Casting

Abstract

This paper is focused on several aspects of steel continuous casting, pursuing an aim to develop a general approach to technology optimization for securing internal quality of cast steel in small-section strand casting. The study was based on a computer simulation of steel solidification in a caster, utilizing experiment-based verification of computer modeling. Problems discussed include the computation of the shrinkagejcontraction of steel, and the development of optimized operation for the final electromagnetic stirring of melt, as well as the soft reduction of cast strand at the final stage of solidification. Development of optimal operational patterns for bloom casting of high-C steel at the China Steel Corporation exemplifies the approach discussed. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Ce document touche plusieurs aspects de 1a coulée continue de l'acier, avec pour but de déve1opper une approche générale d'optimisation de la technologie. On veut ainsi s'assurer de la qualité interne de l'acier coulé par un appareil à ligne de petite section. L'étude etait basee sur la simulation par ordinateur de 1a solidification de l'acier d'un appareil de coulée, avec véreification, basée sur les expériences, de la modélisation par ordinateur. Les problèmes discutés incluent le calcul du rétrécissement/contraction de l'acier anisi que le développment de l'operation optimisée d'agitation électromagnétique finale du bain fondu et de réduction dounce da la ligne de coulée it l'étape finale de solidification. Le developpement de patrons operationnels optimaux du coulage de lingot d'acier à C élevé à la “China Steel Corporation”, fournit un exemple de l'approche discutée. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

A guide to Canadian Graduate Studies in Metallurgy and Materials

Abstract

Metal-particle composites can be relatively easy to produce by filling the interspaces in the particle aggregate with melt by pressure casting. Molten tin was used to infiltrate SiC particle aggregates. Different particle aggregate sizes were used. The aggregate was heated in a mould of 40 mm in diameter and 100mm in height, and the mould was set on a press of capacity up to 600 kg/cm². As soon as the tin was poured into the mould, it was pressed at a predetermined pressure so that the melt could flow into the interspaces between the particle aggregates. The parameters controlling this technique were studied. The effects of particle sizes and volume fractions on the hardness and the microstructure of the composites were identified.

Résumé

Les composites à matrice métallique renforcés de particules peuvent être produits aisément en forcant la matrice en fusion dans les interstices d'aggrégats de particules par un procédé de coulée sous pression. L'etain liquide agit comme infiltrant dans des aggrégats composés de differentes grosseurs de particules. L'aggrégat est tout d'abord chauffé dans un moule dont le diamètre est 40 mm et la hauteur 100mm, et celui-ci est monte sur une presse dont la capacité atteint 600 kg/cm². L'étain en fusion est alors versé dans le moule et pressé à une pression prédéterminée pour que le métal liquide s'écoule entre les particules de l'aggrégat. Les paramètres contrôlant cette technique ont été étudiés. Les dfets de la dimension des particules ainsi que leur fraction volumique sur la dureté et la microstructure du composite, ont été identifiés.     

A Perspective of Research and Development in North American Steelmaking

Abstract

A thermomechanical processing technique is used to improve austenitic Hadfield Mn-steel wear properties. ASTM A128 grade C steel billets were sized and multi-pass hot rolled. Rolling has been successfully carried out up to an 80% reduction in thickness on four passes in the temperature range 1200 to 800 °C. The inter-pass time ranged between 9 to 13 seconds. The steel was then solution treated at 900, 1000 and 1100°C for 30 min. at temperature. Austenite grain size was measured and the carbide volume fraction was evaluated. The austenitic grains of the as-cast structure are surrounded by a network of carbides. The carbides have a lamellar structure and are richer in Cr and Mn than the austenitic grains. Austenitizing at 1100 °C was the optimum to dissolve the network of carbides. However, solution treatment at the higher temperature coarsens the austenite grains while decreasing the carbide volume fraction. By contrast, hot rolling creates finer grains and signficantly reduces the carbide content. Furthermore, hot rolling followed by solution treatment further decreases the carbide content and distributes them homogeneously. This process has a positive effect on both the mechanical and wear properties. High reductions by hot rolling of the Hadfield steel creates both deformation bands and a twinned structure. These twinning boundaries are considered as slip obstacles to provide strengthening. A thick sheet martensitic structure is created accompanying twinning. Moreover, solution treatment of the hot deformed steel leads to the formation of a thin martensitic structure.

On utilise une technique de traitement thermomécanique pour améliorer les propriétés d'usure de l'acier austénitique au manganèse. On a coupé et laminé à chaud par passes multiples des billettes d'acier ASTM A 128, de grade C. On a effectué le laminage, avec succès, jusqu'à une réduction de 80% de l'épaisseur, avec quatre passes dans la gamme de température de 1200 à 800 °C. La durée entre les passes était de 9 à 13 secondes. On a ensuite effectué un traitement de mise en solution à 900, 1000 et 1100°C, pendant 30 minutes à la température donnée. On a mesuré la taille de grain de l'austénite et l'on a évalué la fraction volumique du carbure. Les grains d'austénite de la structure brute de coulée sont entourés d'un réseau de carbures. Les carbures ont une structure lamellaire et sont plus riches en Cr et en Mn que les grains d'austénite. La température optimale d'austénitisation pour la dissolution du réseau de carbures était de 1100 °C. Cependant, le traitement de mise en solution à cette température plus élevée produit un grossissement des grains d'austénite tout en diminuant la fraction volumique de carbure. En contraste, le laminage à chaud crée des grains plus fins et réduit significativement le contenu en carbure. En outre, le laminage à chaud suivi par le traitement de mise en solution diminue encore plus le contenu de carbures et distribue ceux-ci de façon homogène. Ce traitement a un effet positif tant sur les propriétés mécaniques que sur les propriétés d'usure. Des réductions élevées par laminage à chaud de l'acier austénitique au manganèse créent des bandes de déformations ainsi qu'une structure maclée. Ces joints de grains de macle sont considérés comme des obstacles au glissement, fournissant ainsi un renforcement. Une feuille épaisse à structure martensitique, accompagnant le maclage, est ainsi créée. De plus, le traitement de mise en solution de l'acier chaud déformé mène à la formation d'une structure martensitique mince.     

Metallurgical developments in the continuous casting of austenitic stainless steel slabs

Abstract

The design concept of Atlas Steels’ new integrated sheet/strip mill at Tracy, Quebec involved direct conversion of continuously cast austenitic stainless steel slabs to coiled hot bands. In early production, a high incidence of surface defects, commonly called ‘slivers’, necessitated hotband conditioning greatly in excess of the anticipated level. Electron probe microanalysis of nonmetallics found in the slivers revealed that the majority of such defects resulted from subsurface entrapment of pouring stream reoxidation products in the continuously cast slabs. The problem was brought under operational control by improved steelmaking practice and modifications of the casting operation to permit pouring through refractory stream protection tubes.

Résumé

Aux usines d'Atlas Steel situées it Tracy dans le Québec, le procédé de production prévoit la coulée continue suivie de laminage à chaud de tôles et de bandes. Dès la mise en marche des usines, le trop grand nombre d'inclusions de surface imposa un parachévement imprévu des bandes laminées à chaud. Des analyses faites par micro-sonde ont fait voir que la plupart des inclusions provenaient d'oxydation au jet de la coulée continue. Des modifications apportées à l'élaboration de l'acier et l'emploi de tubes réfract aires au jet de coulée surmonterent les difficultés occasionnées par les inclusions de surface.     

Pneumatic Steelmaking

Abstract

A brief historical review of pneumatic steelmaking is presented with emphasis on top and bottom blown oxygen processes. Modern steelmaking methods are described, including bottom injection techniques. The fundamentals of gas jet behavior are outlined, including the importance of the physics and mechanics of the jet and the interrelationship with process chemistry. Refining mechanisms involving metal, slag and gases are detailed for current and proposed pneumatic steelmaking processes.

Résumé

Un bref historique de l' élaboration de l'acier par souffiage est présenté en insistant plus particulièrement sur les convertisseurs d'oxygène à souffiage par le haut et par le bas. Les méthodes modernes d' élaboration de l'acier incluant les techniques d'injection par le fond, sont décrits. Le comportement fondamental du jet gazeux est abordé, ainsi que l'importance de la physique, de la mécanique du jet et des interactions avec la chimie du procédé. Enfin les mécanismes d'affinage faisant intervenir le métal, le laitier et les gazs sont détaillés pour les procédés d' élaboration de l'acier par souffiage.     

Modeling of Casting Solidification Stochastic or Deterministic?

Abstract

Solidification modeling has had a phenomenal impact on metalcasting in the last decade. Following its initial success in predicting the occurrence of porosity defects, it has grown to be an essential casting engineering tool. As more complex models have been developed (in response to the realization that simple heat flow models were not adequate to solve the shrinkage problem), they are being used to design more efficient gating and risering systems, which minimize the amount of metal poured to produce a good casting. Models today include predictions of fluid flow during mold filling, casting distortion, mold-metal interface reactions and cast structure.

Until a few years ago solidification simulation was based only on deterministic models. As prediction of microstructural evolution became a contemporary problem, the limitation of deterministic models in predicting such features as dendrite coherency, columnar-to-equiaxed transition, dendrite fragmentation

and movement of dendrites by the liquid, became evident. Recently developed stochastic models for solidification are capable of simulating and displaying the growth of columnar and equiaxed grains. However, the physics of dendritic growth is rather approximate. The growth of dendrite arms and their branching are ignored, and only a bulk representation of the grain growth is provided.

A micro-scale approach for more accurate dendritic growth simulation in casting processes is presented in this paper. The model couples stochastic modeling at a length scale of 10^?6 m, with deterministic modeling at a length scale of 10^?4 m. A deterministic tip-velocity model is used to calculate the advance of the dendrite tip. Arm thickening is also calculated with a deterministic law derived from the dendrite tip velocity law and crystallographic considerations in combination with a deterministic coarsening model. However, the overall growth of dendrite arms is derived from probabilistic calculations. Branching of dendrites arm is allowed to occur based on morphologic instability. Thus the dendrite morphology, rather than the gain structure can be simulated.

A discussion on the advantages and limitations of contemporary deterministic and stochastic models is also included. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La modélisation de la solidification a eu un impact phénomenal sur le coulage des metaux au cours de la derniere decennie. A la suite de son succes initial a predire l'occurrence de porosite, la modelisation est devenue un outil d'ingenierie essentiel pour lecoulage. Puisque des modeles plus complexes ont été développes (suite à la réalisation que de simples modéles d'écoulement de chaleur n'étaient pas adequats pour la resolution du probleme de retrait), ceux-ci sont utilises pour concevoir des systemes plus efficaces d'attaqué de coulée et de disposition de masselottés. Ces systemés minimisént ainsi la quantité de metal versée pour la production d'un bon coulage. Les modéles d'aujourd'hui peuvent prediré l'écoulement de fluide lors du remplissage du moulè, la distorsion des coulages, les réactions à l'interface moule-metal et la structure du coulage.

Jusqu'à il y a quelques années, la simulation de la solidification était basée uniquement sur des modèles déterministes. Puisque la prediction de l'évolution de la microstructure est devenue un probleme contemporain, la limitation des modéles déterministes à prédire des caracteristiques telles que la coherence des dendrites, la transition basaltique-à-équiaxe, la fragmentation et le mouvement des dendrites par le liquide, est devenue evidente. Les modeles stochastiques de solidification, développes recemment, sont capables de simuler et d'exposer la croissance de grains basaltiques et équiaxes. Cependant, la physique de la croissance des dendrités est plutot approximative. La croissance des dendrites et de leurs embranchements est ignorée et seulement une representation en vrac de la croissance de grain est fournie.

Dans ce document, on présente une approche à l'échelle microscopique afin de fournir une simulation plus exacte de la croissance de dendrite, dans les procedes de coulage. Le modele associé la modélisation stochastique, à une echelle de longueur de 10⁶ m, avec la modelisation deterministe, à une échelle de longueur de 10⁴m. Un modele deterministe de velocite a l'éxtremite est utilise pour calculer l'avance de l'extremite du dendrite. L'épaississement du bras est aussi calcule avec une loi deterministe derivée de la loi de velocité a l'extremité du dendrite et de considerations cristallographiques en combinaison avec un modéle de grossissement deterministe. Cependant, la croissance generale des dendrites est derivée de calculs probabilistes. L'embranchement des dendrites est permis en se basant sur l'instabilite morphologiqué. Ainsi, on peut simuler la morphologie de dendrite, plutot que la structure de grain.

On inclut également une discussion des avantages et des limites des modéles deterministes et stochastiques contemporains. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

The Exothermic Dissolution of 50 wt.% Ferro-Silicon in Molten Steel

Abstract

The kinetics of dissolution of solid cylinders of 50 wt.% ferro-silicon in liquid steel has been studied. It is shown that the customary frozen shell of steel encases the ferro-alloy cylinder following its initial immersion. Premature internal melting of the cylinder then begins as a result of liquid eutectic of Fe₂Si composition forming at the inner steel shell boundary. This phenomenon triggers an exothermic dissolution and erosion of the inner steel shell. The outer boundary of the steel shell concurrently melts back as a result of convective heat transfer from the steel bath. The net result is considerably shortened shell dissolution times in comparison with more conventional ferro-alloy/steel systems.

A simplified mathematical model of the process has been developed to describe the coupled heat and mass transfer phenomena involved, and this is shown to provide a good quantitative representation of the processes studied.

Résumé

La cinétique de dissolution de cylindres de ferro-silicium 50% solide dans l'acier liquide a été étudiée. Il est montré que l'habituelle coquille d'acier solidifié enferme le cylindre de ferro-alliage des les premiers instants de son immersion. Une fusion interne prématurée du cylindre se produit alors par suite de la formation d'un liquide eutectique de composition Fe₂Si sur la face interne de la coquille d'acier. Ce phenomène déclanche une dissolution exothermique et une érosion de l'interieur de la coquille d'acier. La face externe de la coquille d'acier refond simultanement par suite du transfert convectif de chaleur depuis le bain. Il en resulte des temps de dissolution de la coquille considérablement plus courts que ceux obtenus avec systémes ferro-alliage/acier plus classiques.

Un modèle mathématique simplifié du procédé a été développé pour décrire les phénomènes de transfert de masse et de chaleur couplés qui se produisent et il semble fournir une bonne représentation quantitative des processus étudiés.     

Decarburization of iron-carbon alloys by argon-oxygen mixtures

Abstract

Liquid iron which contained up to 4% carbon was decarburized at temperatures of 1335 – 1445°C in argon containing up to 1.16% oxygen. Rates were measured by following the O₂ consumption by an electrochemical cell, or the CO₂ production by a mass spectrometer. The crucible was arranged so that the depth of alloy could be varied without altering the pattern of gas flow. The rate of decarburization did not depend on the crucible-melt interfacial area or the roughness of the crucible. It was concluded that heterogeneous nucleation of CO at the walls of the crucible was not an important rate-controlling step. The effects of carbon content of the melt, oxygen content and flow rate of the gas, and temperature on the rate of decarburization, support previous suggestions that the rate-determining step for the range of conditions studied is diffusion of oxidant in the gas phase.

Résumé

Du fer liquide contenant jusqu' à 4% de carbone fut décarburé à des températures variant de 1335 à 1445°C dans de l'argon comprenant jusqu'à 1.16 % d'oxygéne. Le processus de décarburation était suivi soit en mesurant la consommation d'oxygène par une cellule électrochimique, soit en mesurant au spectromètre de masse la production de CO₂. Le dessin du creuset permettait de faire varier le niveau de métal liquide sans pour autant changer l'écoulement du gaz. Le taux de décarburation est independent de l'interface creuset-bain liquide et de la rugosite du creuset. Les auteurs en concluent que la germination heterogene du CO sur les parois du creuset n'est pas un mecanisme determinant le taux de reaction. L'effet de la teneur en carbone du bain, de la teneur en oxygene du gaz, et de la temperature sur le taux de décarburation confmne les idees précédemment emises que le facteur déterminant le taux de reaction, pour les conditions expérimentales étudiées, est la diffusion de l'oxydant dans la phase gazeuse.     

Effect of Composition and Heat Treatment Parameters on the Characteristics of Austempered Ductile Irons

Abstract

The discovery of Ductile Iron (DI) in 1948 provided new growth markets to the iron foundry industry. Precipitating the graphite phase as nodules in a continuous “pseudo-steel” matrix provided the mechanical strength and impact toughness lacking in gray cast irons. This new class of engineering materials was well suited to replace steel castings, forgings and assemblies, resulting in a North American production level exceeding four million tons (including pipe) of DI in 1995. This market growth was concurrent with the development of a family of materials which found applications in most industrial fields.

Austempered Ductile Irons (ADI) are the most recently developed materials of the DI family. By adapting the austempering treatment initially introduced for steels to DI, it has been shown that the resulting metallurgical structures provide properties that favorably compare to those of steel while taking advantage of a near-net-shape manufacturing process. The objectives of this paper are to review the metallurgical aspects of ADI production and to discuss the effects of chemical composition, heat treatment variables and initial casting quality on the structure and properties of ADI castings. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La découverte de la fonte à graphite spheroldal (GS) en 1948 a ouvert de nouvelles possibiliti é s de croissance à l'industrie de la fonderie. La pr é cipitation du graphite sous forme de nodules dans une matrice “pseudo-acier” en fait une fonte possédant la résistance mécanique et la ténacit émanquant aux fontes grises. Cette nouvelle catégorie de matériaux était particulierement bien adaptée pour remplacer les pieces d'acier coulees, forg é es ou soudées, ce qui a permis d'atteindre, en 1995, une production nordamericaine de fonte. GS depassant quatre millions de tonnes (incluant les tuyaux). Cette croissance du march é s'est accompagnee du developpement d'une famille de materiaux ayant trouve des applications dans tous les domaines de l'industrie.

Les fontes GS trait é es par “austempering” (ADI) représentent les dernieres n é es dela famille des fonts GS. En adaptant le traitement “d'austempering” initialement développé pour les aciers aux fontes GS, les structures métallurgiques obtenues ont permis d'atteindre des propriétés qui se comparent favorablement à celles de l'acier, tout en prenant avantage du pro cédéde fonderie. Les objectifs de cet article sont de revoir les aspects metallurgiques de la production de la fonte ADI et de discuter les effets de la composition chimique, des parametres de traitement thermique et de la qualité de la pièce coulée sur la structure et les propriétés de l'ADI. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Application of fracture mechanics to high-temperature creep rupture

Abstract

This paper reviews the crack opening displacement approach to fracture testing of materials at ambient temperature and considers extension of the work to higher temperatures, as one phase of an approach aimed at bringing various cracking behaviours within the same over-all fracture mechanics treatment.

Testing procedure uses BS 15 mild steel as l-inch plate at 350°C, with loading times up to 1000 hours. A rectangular specimen about 18 × 6 inches is slit for three quarters of its length along the centre of width, and the notched region is immersed at high temperature. The split ends protruding from the furnace are strained apart, and a transducer is projected into the furnace to provide a continuous measurement of crack opening displacement. CaDs produced are in reasonable agreement with values predicted by the general yielding theory. Intergranular crack extensions occurred at CODs of 14 to 17 × 10^?3 inches, were of the ‘pop-in’ type.

One specimen was cooled to 0°C after test so that the crack could be extended by cleavage. The COD at initiation was 5 × 10^?3 inches, indicating that the material had been substantially embrittled by hot straining.

Résumé

Après avoir revu l'ouverture et le déplacement des fissures pour des essais de rupture à température ambiante, les auteurs considèrent l'élargissement de ces conclusions a haute température comme approche pour examiner divers comportements des fissures dans un mécanisme global de la rupture.

Pour les essais, une tôle d'un pouce d'épaisseur d'acier doux BS?15 a été utilisée a 350°C, le temps maximal de mise en charge étant de 1000 heures. L'éprouvette rectangulaire déenviron 18 po. × 6 po. est entaillée en son centre sur les trois quarts de sa longueur; la région entaillée est maintenue à haute température. Les extrémités fendues de la tôle sont écartées l'une de l'autre hors du four et un palpeur dans le four donne en continu la propagation de la fissure. La propagation des fissures est en bon accord avec les valeurs données par la théorie de l'écoulement. L'extension de fissure intergranulaire se produit pour des valeurs de la propagation des fissures de 14 à 17 × 10^?3 pouces et sont réentrantes. Une éprouvette fut refroidie à 0°C aprés l'essai de fa?on à pouvoir faire avancer la fissure par clivage. La propagation de la fis sure était de 5 × 10^?3 pouces indiquant une fragilisation du métal par deformation à chaud.