Predicting microstructure from heat flow calculations in electron beam welded eutectoid steels

Abstract

The thermal history of an array of points in the neighbourhood of an electron beam weld is calculated from Rosenthal's solution for two-dimensional heat flow. Calculations are included for typical electron beam welding parameters and the results are presented in terms of isotherms, temperature profiles, and as heating and cooling curves. From isotherms the extent of the fusion and transformed zones are predicted. Heating rates of the order of 10,000° C/sec are typical in electron beam welding. Similarly high cooling rates are predicted where temperatures are high. Microstructure is predicted from the calculated cooling curve of a point and the continuous cooling transformation diagram. The microstructure of low-hardenability steels is most sensitive to the input energy per unit area which strongly influences the cooling curve at short times on a continuous cooling transformation diagram. The microstructure of high-hardenability steels depends largely on the preheat temperature, which predominantly controls the cooling curve at long times on the continuous cooling transformation diagram. The analysis applies equally to laser and plasma welding.

Résumé

Les auteurs ont calculé, au moyen de la solution de Rosenthal pour un écoulement de chaleur bidimentionnel, le comportement thermique d'un réseau de points au voisinage d'un cordon de soudure par faisceau électronique. Pour des paramètres typiques de soudage par faisceau électronique, les calculs sont développés et les résultats sont présentés sous forme d'isothermes, de proil1s thermiques et de courbes de chauffage et de refroidissement. A partir des isothermes le domaine de fusion et des zones transformées est présentée Des taux de chauffage typique de ce ogenre de soudage sont de l'ordre de 10,000°C/sec et de fa?on analogue des taux de refroidissement élevé sont prévus quand la température est haute. A partir de la courbe de refroidissement d'un point et du diagram me de transformation en refroidissement continu les microstructures de ce point sont prédites. La microstructure d'aciers faiblement durcissables est fort sensible à l' énergie par unité de surface qui influence fortement la courbe de refroidissement à des temps courts du diagram me alors que, pour un acier facilement durcissable, la microstructure dépend davantage sur la température de préchauffage qui contrôle la courbe de refroidissement pour les temps longs du diagramme de transformation. Cette analyse peut également s'appliquer au soudage par laser ou par plasma.     

Mathematical Model of Bubble Formation at the Tuyeres of a Copper Converter

Abstract

Based on earlier observations that gas discharges from the tuyeres of a non-ferrous converter as discrete bubbles, a mathematical model has been developed to describe the dynamics of bubble formation in copper converting. The bubbles have been assumed to be spherical in shape and to grow at the tuyere tip under conditions of constant flow. The model incorporates the effects of heat transfer to the bubble, chemical reaction between the bubble and the bath and co flowing bath circulation. The model has been used to predict the concentrations of O₂ and SO₂, temperature, volume and rise velocity for the bubble as a function of time, while imposition of a detachment condition has permitted the prediction of the bubble frequency. Thus it has been shown that the oxidation reactions have little effect on the bubble formation while convective heat transfer and bath circulation have a large influence. Bath velocity acts to increase the bubble frequency while heat transfer has the opposite effect. Depending on the value of the heat-transfer coefficient employed, the model predicts the velocity of bath circulation in the vicinity of the tuyere to be between 120 and 260 cm/s. For a given bath velocity, the bubble frequency decreases with increasing air input rate. The implications of these predictions for copper converting are discussed, and it is suggested that present converter operation may be “bubble-volume“ limited.

Résumé

En se fondant sur les observations anterieures que le gaz qui s' échappe des tuyères d'un convertisseur de métaux non-ferreux est sous forme de bulles séparées, nous avons développé un modèle mathématique pour décrire la dynamique de formation des bulles dans le convertissage du cuivre. Nous avons supposé que les bulles ont une forme sphérique et qu'elles croissent à l'extrémité de la tuyère dans des conditions d' écoulement constant. Le modèle incorpore les effets du transfert de chaleur à la bulle, de la réaction chimique entre la bulle et le bain, et la circulation du bain. Le modèle a été utilisé pour prédire les concentrations de O₂ et SO₂, la température, le volume et la vitesse de montee des bulles en fonction du temps, alors que l'introduction d'une condition de séparation a permis de prédire la fréquence des bulles. Ainsi nous avons montré que les réactions d'oxydation ont peu d'effet sur la formation des bulles alors que le transfert de chaleur par convection et la circulation du bain ont une grande influence. La vitesse du bain accroît la fréquence des bulles alors que le transfert de chaleur a l'effet opposé. Dépendant de la valeur du coefficient de transfert de chaleur employé le modèle predit que la vitesse de circulation du bain dans le voisinage de la tuyère est comprise entre 120 et 260 cm/s. Pour une vitesse donnée du bain, la fréquence des bulles décroît lorsque l'on augmente le taux d'arrivée d'air. Les implications de ces predictions pour le convertissage du cuivre sont discutées et nous suggérons que l'opération actuelle des convertisseurs pourrait être limitée par le volume des bulles.     

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).     

Oxygen gradient in the diffusion layer above graphite undergoing oxidation at 1425 C

Abstract

A tall crucible with a disc of graphite at the bottom was exposed to flowing mixtures of argon-oxygen. A lime-stabilized zirconia oxygen probe was used to determine the oxygen gradient within the crucible. The results are compatible with mass transfer in the gas phase being by Stefan diffusive flow. A slight degree of non-equilibrium among CO, CO₂ and O₂ was detected.

Résumé

Un disque de graphite repose au fond d'un creuset profound autour duquel circule un mèlange gazeux d'oxygène et d'argon.Une sonde à oxygène à base de zircone stabilisé à la chaux a été employèe pour la détermination du gradient d'oxygène à l'intérieur du creuset. Les résultats expérimentaux sont en accord avec les valeurs calculées pour le transfert de masse contrôlè par la diffusion des gaz selon le modèle de Stefan. On constate que le mèlange de CO, CO ₂ et O₂ est légèrement hors d'équilibre.     

Grain boundaries in recrystallization

Abstract

In this brief survey, the theoretical models for nucleation of new grains in annealed cold-worked metals are reviewed in the light of recent researches in the author's laboratory. The importance of strain-induced boundary migration is gradually emerging. The role of vacancies in enhancing the mobility of grain boundaries is reviewed, and this leads on to a survey of the influence of pores in particular, and precipitates more generally, on the motion of grain boundaries. Areas of ignorance which call for further experiments are pointed out.

The influence of dissolved impurities on grain-boundary motion is excluded from this survey.

Résumé

Dans cette brève synthèse, l'auteur passe en revue, à la lumière de récents travaux effectués dans son laboratoire, les modèles théoriques de germination des grains dans les métaux déformés à froid et recuits. L'importance d'une migration des joints induite par la déformation émerge graduellement. Le rôle des lacunes, qui favorisent la mo bilite des joints de grains, est passé en revue et ceci conduit à une étude de l'influence des pores en particulier, et de précipités plus généralement, sur la migration des joints de grains. L'auteur souligne les domaines, où notre ignorance nécessite d'autres expériences. Est exclue de cette synthèse l'influence des impuretés dissoutes sur la migration des joints de grains.     

Microstructure–strength models for heat treatment of Al–Si–Mg casting alloys I: microstructure evolution and precipitation kinetics

A comprehensive microstructure–strength mathematical model for the heat treatment of Al–Si–Mg casting alloys is presented. As part of the model development, the evolution of microstructure and mechanical properties during heat treatment of an industrially cast A356 aluminium alloy was studied in an extensive experimental investigation. For the solution treatment process, the changes in dendritic composition and eutectic morphology in the temperature range 773–833 K (500–560°C) were quantified using microprobe and image analysis techniques. For natural and artificial ageing, the kinetics of precipitation/clustering was determined using an isothermal calorimetry technique in conjunction with hardness and mechanical property measurements. Two other Al–Si–Mg model alloy compositions were used to study the effects of alloy chemistry on microstructure response during heat treatment. The overall aim of the experimental work presented here is to facilitate the development of a comprehensive microstructure–strength model for the heat treatment of Al–Si–Mg casting alloys that will be presented in part II of this paper.

On présente un modèle mathématique détaillé de la microstructure-résistance du traitement thermique des alliages de moulage d'Al–Si–Mg. Faisant partie du développement du modèle, on a étudié l'évolution de la microstructure et des propriétés mécaniques lors du traitement thermique d'un alliage d'aluminium A356 moulé industriellement lors d'un examen expérimental de grande envergure. Pour le traitement de mise en solution, on a quantifié les changements de la composition dendritique et la morphologie de l'eutectique dans la gamme de température de 773 à 833 K (500 à 560 °C) en utilisant les techniques de la microsonde et de l'analyse d'image. Pour le vieillissement naturel et artificiel, on a déterminé la cinétique de précipitation/agrégation en utilisant une technique de calorimétrie isotherme en conjonction avec les mesures de dureté et de propriétés mécaniques. On a utilisé deux autres compositions de l'alliage modèle d'Al–Si–Mg pour étudier les effets de la chimie de l'alliage sur la réponse de la microstructure lors du traitement thermique. Le but global du travail expérimental présenté ici est de faciliter le développement d'un modèle détaillé de microstructure-résistance du traitement thermique des alliages de moulage d'Al–Si–Mg qui sera présenté dans la seconde partie de cet article.     

A 3-D Numerical Prediction of Turbulent Flow,Heat Transfer and Solidification in a Continuous Slab Caster for Steel

Abstract

This study describes the numerical modeling of three-dimensional coupled turbulent flow, heat transfer, and solidification in a continuous slab caster for stainless steel. The model uses generalized transport equations which are applicable to the liquid, mushy and solid regions within the caster. The turbulent characteristics in the melt pool and mushy region are accounted for using the low-Reynolds number k–ε turbulence model by Launder and Sharma. This version of the low-Reynolds number turbulence model is found to be more easily adaptable to the coupled flow and mushy region solidification caster problem compared to the standard high-Reynolds number and other low-Reynolds number turbulence models. The macroscopic solidification process itself is based on the enthalpy-porosity scheme. The governing transport equations are solved employing the primitive variables and using the control volume based finite-difference scheme on a staggered grid. The process variables considered are the casting speed and the inlet superheat of the melt. The effects of these process variables on the velocity and temperature distributions and on the extent of the solidification and mushy regions are reported and discussed. The numerical predictions of solidification profile are compared with the limited experimental data available in the literature, and very good agreement was found. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Cette étude decrit la modélisation numerique de l'écoulement turbulent couple, à trois dimensions, du transfert de chaleur et de la solidification, lors du coulage en continu de dallé d'acier inoxydable. Le modéle utilisé des equations generalisées de transport qui sont applicables aux regions liquides, pateuses et solides à l'interieur de l'equipement de coulage. On tient compte des caractéristiques turbulentes du bain fondu et de la région pateuse en utilisant le modéle de turbulence a petit nombre de Reynolds k–ε, de Launder et Sharma. Cette version du modèle de turbulence à petit nombre de Reynolds est plus facilement adaptable à l'écoulement couple et la solidification de la région pateuse du problème de coulage que la version utilisant un nombre de Reynolds normal, élevé, ou que d'autrés modèles de turbulence à petit nombre de Reynolds. Le procédé meme de solidification macroscopiqué est base sur la combinaison enthalpié-porosite. On resout les équations de transport qui gouvernent en employant les variables primitives et enutilisant la mèthode des différences finies basée sur le volume de contrôle, sur une grille alterne. Les variables considerées dans ce procédé sont la vitesse de coulage et la surchauffe du liquide a l'entrée. On rapporte et discute de l'effet de ces variables du procédé sur la distribution de velocité et de température et sur l'étendue des régions solides et pateuses. On compare les prédictions numériqués du profil de solidification avec les données expérimentales limitées disponibles dans la litterature et on trouvé une très bonne concordance. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Heat Transfer Modelling of the Melting of Solid Particles in an Agitated Molten Metal Bath

Abstract

The melting of solid particles in stagnant melt such as the melting of iron pellets in an electric arc-furnace has been the subject of many investigations. However, little work can be found in the literature about the modelling of heat transfer during the melting of solid particles in an agitated molten metal bath. The present work deals with the development of a heat transfer model for the melting of the solid pellets in a stirred melt, as melting in induction furnaces or gas-stirred vessels. First, the flow pattern in the liquid bath was obtained using a two-equation k–ε turbulent flow model which was further employed to obtain the particle's trajectory and its slip velocity. The heat transfer coefficient between the melt and particle was then calculated and used in the model to identify the rate of heat transfer to the particle. Parametric studies were carried out to evaluate the effects of such parameters as physical properties of particle and those of the melt on the melting rate of particle. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La fonte de particules solides dans un liquide stagnant, telle que la fonte de boulettes de fer dans un four à arc électrique, a été le sujet de plusieurs investigations. Cependant, on trouve peu d'information dans la litterature sur la modélisation du transfert de chaleur lars de la fonte de particules solides dans un bain agite de métal fondu. Le present travail a pour objet le développement d'un modèle de transfert de chaleur de la fonte de boulettes solides dans un liquide agité, telle que la fonte dans les fours a induction ou les réacteurs à agitation gazeuse. Premièrement, on a obtenu le patron d'écoulement dans le bain liquide en utilisant un modèle d'écoulement turbulent à deux equations, k–ε, également utilisé pour obtenir la trajectoire de la particule et sa vélocité de glissement. On a ensuite calculé le coefficient de transfert de chaleur entre le liquide et la particule et on l'a utilisé dans le modéle pour identifier le taux de transfert de chaleur vers la particule. On a mene des etudes paramétriques afin d'evaluer l'effet de parametres tels que les proprietes physiques de la particule et celles du liquide sur le taux de fonte de la particule. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

The chlorination of lead + bismuth melts

Abstract

An electrochemical kinetic model is described from which the rate of formation of lead chloride from a melt of lead and bismuth and bubbles of gaseous chlorine is calculated. The basic assumption of the model. is that the reaction rate is controlled by the electronic conductivity of the salt phase. Two periods of bubble history are recognized: (i) an inflation period and (ii) a rise period. The electrochemical rate equation and the mass balance equation are evaluated using published data for the ionic and electronic conductivity of the salt phase and information on bubble hydrodynamics. The calculated rates of formation of lead chloride and chlorine utilization are in broad agreement with laboratory-scale measurements. Agreement between the rate of chlorination as calculated from the model and as determined from industrial-scale studies is less good, probably due to uncertainties in the hydrodynamics of the relatively large bubbles involved.

Résumé

Un modèle électrochimique est proposé à partir duquel on peut calculer le taux de formation du chlorure de plomb en faisant barboter du chlore gazeux dans une solution liquide de Pb-Bi. L'hypothèse de base du modele repose sur le fait que le taux de la réaction serait contrôlé par la conductivité electronique du sel fondue Deux étapes sont à distinguer dans la vie des bulles de chlore: (1) une période d'insufflation et (2) une période de montée. L' équation du taux de reaction et l' équation de conservation de masse sont résolues en utilisant les données disponibles de par ailleurs sur la conductivité ionique et électronique du sel fondu, et sur le comportement hydrodynamique des bulles. Le taux de formation du chlorure de plomb et la consommation de chlore calculés àpartir du modèle, concordent en gros avec les valeurs correspondantes mesurées expérimentalement. La correspondance imparfaite entre les mesures à l' échelle industrielle et les taux calculés provient probablement de l'effet hydrodynamique incertain des plus grosses bulles de chlore.     

Development of a model for copper converting

Abstract

Building on previous work reported in the literature, a dynamic model of the operation of the Peirce-Smith Converter has been developed to describe the distribution of the major elements present. The fundamental principle of the model was a thermodynamic calculation. The situation of non-equilibrium conditions was considered by dividing the converter into different zones linked by predefined flow parameters. The model was verified against actual converter plant data, with the simulated results for the major elements being in good agreement with the plant data. The agreement between plant and calculated data for Pb, and Zn was not as good and more work is required regarding this aspect.

En se basant sur des travaux antérieurs rapportés dans la littérature, on a développé un modèle dynamique de l’opération du Convertisseur de Peirce-Smith afin de caractériser la distribution des principaux éléments chimiques présents. Le principe fondamental de ce modèle repose sur un calcul thermodynamique. On a considéré la situation des conditions hors d’équilibre en divisant le convertisseur en différentes zones reliées par des paramètres d’écoulement prédéfinis. On a confronté le modèle à des données issues du convertisseur d’une usine existante, les résultats simulés montrant un bon accord avec les données de l’usine en ce qui concerne les éléments majoritaires. La concordance des données de l’usine et des valeurs calculées pour le plomb et le zinc n’était pas aussi bonne et, donc, une investigation plus poussée concernant cet aspect du modèle s’avère nécessaire.     

Diffusion du zinc dans les joints de flexion symétriques de l'aluminium

Abstract

Under the experimental conditions employed, and especially for highangle grain boundaries, the penetration distance, the diffusion coefficient and the activation energy for the diffusion of zinc along tilt boundaries in aluminum strongly depend on the misorientation. For a given boundary, the previously mentioned quantities can depend strongly on the diffusion direction, with this anisotropy becoming more marked as the misorientation becomes smaller. The results can be qualitatively explained by the influence of the grain boundary energy distribution, as given by an appropriate structural model of the boundary, on the diffusion along the boundary.

Résumé

La profondeur de pénétration dans des conditions expérimentales données, le coefficient de diffusion et la chaleur d'activation de diffusion du zinc dans des joints de flexion symetriq ues de l'aluminium dépendent beaucoup de la désorientation, en particulier pour les joints de forte désorientation. Pour un joint donné, les quantites précédentes peuvent être très différentes suivant la direction selon laquelle se fait la diffusion, l'anisotropie étant d'autant plus marquée que la désorientation est faible. Ces résultats peuvent s'interpréter qualitativement, en examinant les conséquences sur la diffusion de la répartition de l'énergie intergranulaire entre les atomes du joint, que fournit un modèle de structure intergranulaire approprié.     

Reconciliation of Mass and Energy Data Measurements: Application to a Rotary Dryer

Abstract

Data collected during the normal operation of a zinc concentrate rotary dryer is used to illustrate the problems associated with the calculation of unmeasured variables in the presence of measurement errors. The paper analyzes the propagation of random errors through mass and energy balance calculations and discusses the presence of systematic errors in measurements obtained during the operation of the dryer. The inaccuracy of temperature measurements in the presence of radiation is discussed, as well as the effect of air infiltration inside the dryer. The application of a reconciliation algorithm to the measured data slightly improves the quality of the estimation. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Les données recueillies durant l'opération d'un four rotatif de séchage de concentré de zinc sont utilisées pour illustrer les problèmes associés au calcul de variables non-mesurées en présence de'erreur de mesure. L'article analyse la propagation des erreurs de mesure à travers les calculs de bilan de masse et d'energie pour montrer l'imprécision de variables calculées comme les débits de gaz. L'influence d'erreurs systématiques de mesure de température par un thermocouple en présence de radiations est discutée et des résultats pratiques sont prsentés pour montrer la contribution des radiations émises par un mur de réfractaires ou par une flamme de combustion. On discute aussi de la précision de la mesure d'un débit d'air d'infiltration à l'interieur du four rotatif. Finalement les données sont utilisées pour evaluer lepotentiel d'un algorithme permettant de reconcilier des mesures de température, de débits d'air, de gaz et de carburant avec un modèle de conservation de l'énergie et de la matiére. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Heat flow in blast furnace hearths

Abstract

Heat flow and temperature distribution in iron blast furnace hearths has been investigated using a digital computer implemented simulation. Furnace hearths, with and without underhearth cooling, have been simulated to provide dynamic thermal response characteristics and to explore refractory material requirements for improved hearth design.

A digital computer program utilizing numerical approximations to the heat flow equations in three dimensions (two dimensions with radial symmetry in the third) was used to calculate unsteady state heat transfer characteristics. Stave cooling, carbon and ceramic refractories, refractory thermal property variations, salamander formation, underhearth cooling systems, and other design and operating parameters were considered in evaluating the steady and unsteady state temperature distributions in blast furnace hearths.

Résumé

On fait l' étude du flux de chaleur et de la distribution de température dans le creuset d'un haut fourneau par une simulation à l'aide d'un ordinateur. Nous considérons le creuset sans ou avec refroidissemen t afin d'obtenir l' évolution des proprietes thermiques et de sonder les besoins en matériaux réfractaire pour ameliorer le design du creuset.

Un programme d'ordinateur basé sur la méthode d'approximations numeriques aux équations tridimentionnelles de transfert de chaleur (deux dimensions rectilignes avec symétrie radiale dans la troisième direction) a été employé dans le calcul du comportement de transfert de chaleur en régime transitoire. Nous avons considéré le refroidissement des douves, l'u tilisation des réfractaires à carbone et à ceramique, la variation des propriétés thermiques des réfractaires, la formation d'un loup ferreux, d'autres designs et les paramètres d' opération dans cette évaluation des distributions des températures en régime transitoire et en régime permanent des creusets des hauts-fourneaux.     

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.     

A Software System for Determining the Preheat Temperature Required to Avoid Underbead Cracking—I

Abstract

A software system for determining the preheat temperature required to avoid underbead cold cracking, given the input welding parameters (voltage, current, welding speed, thermal efficiency), base metal chemical composition, joint restraint and preparation, hydrogen level and preheat parameters, is presented. The system is based on a materials model originally proposed by Yurioka and co-workers and the heat transfer algorithm of Satoh and Matsui. Of central importance in designing the software is ease of use. For an engineer familiar with materials/welding technology but only a basic familiarity with microcomputers, the system is self evident without the necessity of written manuals or extensive help menus. To achieve this, a special user interface suitable for materials or welding engineers is presented. Furthermore, automated plotting and a simple database system are also included for the convenience of practitioners. While the software system presented in this work is focused on preheat temperature computations and seemingly specific to this purpose, it is suggested that the interface, automated plotting and database are general software tools that can be applied to other welding or materials engineering situations where modelling algorithms are available.

Résumé

Un systéme informatisé est présenté qui permet de déterminer la température de préchauffage requise pour éviter la fissuration à froid sous-cordon à partir des paramètres de soudage (voltage, courant, vitesse de soudage, efficacité thermique), de la composition chimique du métal de base, de la préparation du joint ansi que la teneur en hydrogène et les paramètres de préchauffage. Le système est basé sur un modèle proposé initialement par Yurioka et al. et sur l'algorithme de transfert de chaleur de Satoh et Matsui. L'aspect de première importance lors de la conception du logiciel était la facilité d'utilisation. Pour un ingénieur familier avec les matériaux et la technologie du soudage, et qui a des connaissances de base des mitro-ordinateurs, l'utilisation du système est simple, ne requiert pas un manuel et sans menu d'aide élaboré. Pour accomplir cet objectif, une interface spéciale applicable aux matériaux et s'adressant aux ingénieurs-soudeurs est présentée. Le système inclut également une banque de données simple et l'impression automatisée. Ke systéme informatisé presenté dans ce travail met l'accent sur les calculs de température de préchauffage pour lesquels il a été particulièrement conçu. L'interface, l'impression automatisée et la banque de donnees sont des outils généraux qui peuvent être utilisés pour d'autres situations de soudage ou de génie des matériaux lorsque les algorithmes de modélisation sont disponibles.     

Chemical Oxidation Methods for the Treatment of Thiosalt-Containing Mill Effluents

Abstract

The delayed acid generating capacity of milling effluents is caused by the presence of incompletely oxidized sulphur oxyanions, collectively called thiosalts. Wet chemical oxidation processes are among the most reliable and cost effective options available for the treatment of these effluents. Experimental data are presented for the oxidation of thiosalts using hydrogen peroxide, sodium hypochlorite and ozone. Examination of the oxidation reactions under ambient and well-defined conditions provides a better understanding of the fundamental chemistry of thiosalts. As a result, the technical and economic viability of various conceptual process flowsheets can be assessed, and future areas of research can be identified.

Résumé

La capacité des effluents de traitement de produire à retardement des acides est causée par la présence d'oxyanions de soufre dont l'oxydation est incomplète et que l'on appelle collectivement thiosels. Les procédés d'oxydation chimique par voie humide sont parmi les options disponibles les plus fiables et rentables pour le traitement de ces effluents. Dans ce rapport, on présente les donnees expérimentales du procédé d'oxydation des thiosels effectué à l'aide du peroxyde d'hydrogène, de l'hypochlorite de sodium et d'ozone. L'étude des réactions d'oxydation à température ambiante et dans des conditions bien définies fournit une meilleure compréhension de la chimie fondamentale des thiosels. En conséquence, on peut évaluer la viabilité technique et économique de nombreux organigrammes conceptuels d'analyse et identifier les domaines des travaux de recherche futurs.     

A Qualitative Study on the Retention of Mercury From SO2-Containing Process Gases on Copper Smelter Dusts

Abstract

Mercury present in process gases can to some extent be removed in dust filters such as textile bag house filters. The removal efficiency in such filters is dependent on gas composition, gas temperature and properties of dust particles collected in the filter. In the present study, laboratory scale experiments were conducted to study qualitatively the influence of different types of dusts on the retention of mercury in SO₂-containing gases. A gas mixture composed of N₂, SO₂, O₂ and Hg was passed through a textile filter covered with dust. Two different types of dust were used in the experiments: one dust containing mainly Cu- and Fe-sulphides and Fe-oxides and one containing mainly Cu-, Fe, and Zn-oxides and -sulphates. The dusts were studied using microprobe equipment after exposure to the mercury-containing gas. Thermodynamic calculations were carried out for comparison with the experimental results. The study shows that mercury is mainly associated with partially roasted chalcopyrite particles.

Le mercure présent dans les gaz du procédé peut, jusqu'à un certain degré, être enlevé parles filtres à poussière tels que les filtres textiles de l'unité de filtration. L'efficacité d'enlèvement de ces filtres dépend, par exemple, de la composition et de la température du gaz ainsi que des propriétés des particules de poussière recueillies par le filtre. Dans l'étude présente, on a exécuté des expériences à l'échelle du laboratoire afin d'étudier qualitativement l'influence de différents types de poussière sur la rétention du mercure de gaz contenant du SO₂. On a passé un mélange de gaz composé de N₂, de SO₂, d'O₂ et de Hg à travers un filtre textile couvert de poussière. Dans les expériences, on a utilisé deux types différents de poussière; un type de poussière contenait principalement des sulfures de Cu et de Fe ainsi que des oxydes de Fe alors que l'autre type contenait principalement des oxydes et des sulfates de Cu, de Fe et de Zn. On a étudié les poussières à l'aide d'une microsonde après l'exposition au gaz contenant du mercure. On a comparé les calculs thermodynamiques avec les résultats expérimentaux. L'étude montre que le mercure est associé principalement avec des particules de chalcopyrite partiellement grillées.     

Growth of Austenite in the Intercritical Annealing of Fe-C-Mn Dual Phase Steels

Abstract

The growth of austenite during the intercritical annealing of a ternary Fe-C-Mn alloy is analysed, using a local equilibrium model. It is shown that austenite growth is first controlled by the diffusion of carbon. These initial stages are usually complete within a few seconds and are followed by a period of slow manganese-diffusion-controlled growth. The analysis predicts the partitioning of manganese, such that both the austenite and ferrite phases become non-uniform in Mn in relatively short times. Electron probe analyses are presented to support this conclusion.

The change in austenite volume fraction on cooling from intercritical annealing temperatures is discussed. It is shown that manganese partitioning, developed during isothermal processing can act to “lock” the ferrite-austenite interfaces, so that the high-temperature austenite precipitate size is retained on cooling.

Résumé

La croissance de l'austénite pendant le revenu intercritique d'un alliage ternaire Fe-C-Mn est analysée en utilisant un modéle de l'équilibre local. Nous avons montré que la croissance de l'austenite est tout d'abord contrôlée par la diffusion de carbone. Ces étapes initiales sont habituellement complétées en dedans de quelques secondes et sont suivies par une période de croissance lente contrôlée par la diffusion du manganèse. L'analyse predit la répartition du manganèse, de telle façon que les phases austénitique et ferritique deviennent non-uniformes en Mn en des temps relativement courts. Des analyses à la microsonde sont présentées qui supportent cette conclusion.

Le changement de la fraction volumique d'austénite au refroidissement à partir des températures de revenu intercritique est discuté. Nous avons montré que la ségrégation du manganèse développée pendant le traitement isotherme peut agir pour bloquer les interfaces ferrite-austénite de telle façon que la taille du précipité d'austenite obtenu à haute température est conservée au refroidissement.     

Measurement and Modeling of Heat Transfer Across Interfacial Mold Flux Layers

Abstract

Surface quality problems in continuous cast steel are greatly affected by heat transfer across the interfacial layers in the gap between the solidifying steel shell and the mold. An experimental apparatus has been constructed to measure temperatures in the steel, mold flux layers, and copper under conditions approximating those in continuous casting. The flux solidified in multiple layers similar to those observed from continuous casting molds and contained many gas bubbles. Flux conductivities average about 1.0 Wm K and appear to evolve with time. Contact resistances at both interfaces are significant and average about 0.0015 m². KW. Flux crystallization appears to be the only significant effect of flux composition. The one glassy flux tested had much greater thermal conductivities, presumably due to radiation transport. Temperature and gap thickness had a negligible effect on the properties. These properties depend on the model used to extract them. They are being implemented into a mathematical model to simulate heat transfer in the mold, interface, and solidifying shell of a continuous slab-casting machine. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Les problèmes de qualité de surface de l'acier de coulée continue sont grandement affectés parle transfert de chaleur à travers les couches interfaciales dans l'intervalle entre la gaine d'acier en train de se solidifier et le moule. On a construit un appareil expérimental afin de mesurer la température de l'acier, des couches d'écoulement du moule et du cuivre sous des conditions appro chant celles de la coulée continue. L'écoulement s'est solidifié en couches multiples similaires à celles observees dans les moules de coulée continue et celles-ci contenaient plusieurs bulles de gaz. La moyenne de conductivité de l'écoulement est d'environ 1.0 Wm K et semble évoluer avec le temps. La résistance de contact aux deux interfaces est importante et atteint en moyenne environ 0.0015 m².kw. La cristallisation de l'écoulement parait etre le seul effet important de la composition du flux. Le seul écoulement vitreux évalué avait une conductivité thermique beaucoup plus élevée, vraisemblablement dil au transport parradiation. La température et la largeur de l'intervalle avaient un effet négligeable sur les propriétés. Ces propriétés dépendent du modèle utilisé pour les extraire. On est en train de les développer en un modéle mathématique afin de simuler le transfert de chaleur dans le moule, à l'interface et dans la gaine de solidification d'un appareil de coulée continue de brame. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy.Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Thermodynamic Behaviour of Arsenic and Antimony in Copper Matte Smelting - A Novel Mathematical Synthesis

Abstract

The conventional treatises which assumed the solute forms of monatomic As and Sb in molten mattes yielded the activity coefficients which varied erratically between about 0.1 to 100 within narrow nonstoichiometric variations of ± 0.5% S. In contrast, the present work demonstrates mathematically that arsenic and antimony dissolve in copper matte as short range orders of AsCu3 and SbCu2 at matte smelting temperatures. The standard heats of formation have been newly assessed to be ?H^o₂₉₈ = -75.8, -25.9 and -28.1 kJ/mole for AsCu₃, SbCu₂ and SbCu₃, respectively where the last two values are considerably more negative than any data previously reported. Based on Nernst's distribution law, regularity and quasichemicality models as well as by stepwise numerical integrations of volatilization test data in the literature, the Raoultian activity coefficients of AsCu3 and SbCu2 at infinite dilution have been assessed to be 32±10 and 20±2, respectively in high grade CuS0.5-mattes containing 70 to 80 mass% Cu at 1473 K. The temporal progress of arsenic and antimony volatilization in industrial copper matte converting was computer-simulated by adopting the presently established activity coefficients of AsCu₃ and SbCu₂. The results were compared with the commercial operating data. Unexpectedly, the computer simulation model recommends lowering the converting temperature if a higher elimination by volatilization of arsenic is desired.

La présente étude démontre mathématiquement que l'arsenic et l'antimoine ont tendance à former des quasi-molécules d'AsCu₃ et de SbCu₂ dans la matte fondue à 1400-1550 K. Des nouvelles valeurs d'enthalpie standard de formation (?H^o₂₉₈) pour AsCu₃, SbCu₂ et SbCu₃ sont présentées ici, soit -75.8, -25.9, et -28.1 kJ/mole respectivement. Ces valeurs pour SbCu₂ et SbCu₃ sont beaucoup plus négatives que celles déjà publiées dans la littérature. En se basant sur la loi de distribution de Nernst ou sur les modèles de solutions régulières et quasi-chimiques, ainsi qu'en effectuant des intégrations numériques graduelles des données expérimentales de la littérature concernant la volatilisation, des valeurs de 32±10 et 20±2 ont été obtenues comme coefficients respectifs d'activité à dilution infinie d'AsCu₃ et de SbCu₂ dans la matte de CuS0.5 contenant 70-80 % Cu à 1473 K. Ces résultats contredisent la théorie conventionnelle qui suppose que l'arsenic et l'antimoine se dissolvent dans la matte sous forme de soluté monoatomique, d'où les coefficients d'activité qui varieraient irrégulièrement de 0.1 à 100 environ, avec une petite variation en soufre de ± 0.5 % dans la matte. En utilisant les nouveaux coefficients d'activité d'AsCu₃ et de SbCu₂, un modèle informatique a été construit afin de simuler la volatilisation de l'arsenic et de l'antimoine dans un convertisseur industriel en fonction du temps de soufflage. Contrairement à la pratique courante, le présent modèle préconise d'abaisser la température de soufflage, si une élimination plus élevée de l'arsenic est voulue.