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.     

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.     

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).     

Factors affecting the reoxydation of molten steel during continuous casting

Abstract

When molten steel is teemed through air, oxygen picked up by the metal from the atmosphere reacts with other elements dissolved in the steel to form products of reoxidation. Unless removed from the steel prior to solidification, this nonmetallic material will form a major source of inclusions in the final product. In this paper, factors governing the reoxidation of molten steel during continuous casting operations are examined on the basis of information obtained from plant observations, water-model studies and levitation experiments conducted with molten steel droplets.

Résumé

Lorsque le jet de coulée de l'acier passe dans l'air, des éléments de l'acier sont susceptibles de s'oxyder. Les produits d'oxydation donneraient lieu à des inclusions. Les auteurs ont étudié, à partir de la pratique et de lévitation de gouttelettes, les facteurs qui influent sur l'oxydation qui se fait au moment de la coulée continue.     

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.     

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.     

Computational Fluid Dynamics Applied to Twin-Roll Casting

Abstract

Near-net-shape casting technology is one of the most important research areas in the iron and steel industry today. Driving forces for the development of this technology include a reduction in the number of operations needed for conventionally produced strip. This is especially true of hot rolling operations. The consequent reduction in investment costs, when considering new industrial facilities, makes near-net-shape casting operations extremely attractive from a commercial standpoint.

Various processes for near-net-shape casting of steel are currently being developed around the world. Of these processes, the twin-roll casting machines represent a major area of concentration. We believe that one of the main issues concerning the design of twin-roll casters is the metal delivery system and its effects on the homogeneity of solid shell formation, segregation and surface quality.

In the present work, computational fluid dynamics has been used to study different metal delivery systems for twin-roll casting. The METFLO code has been adapted to simulate three dimensional turbulent fluid flow, heat transfer and solidification in this type of machine. The enthalpy-porosity technique was used to couple fluid flow and solidification phenomena. Two configurations for metal delivery system have been studied to date, one is a conventional tubular nozzle with horizontal outlets in the directions of the side dams. The other is a slot nozzle with a vertical inlet stream.

These simulations have been applied to a pilot caster being studied in Canada, with a roll radius of 0.30 m, producing steel strips with thicknesses ranging from 4 to 7 mm, at relatively low roll speeds ranging between 4 and 12 m/min. Different positions and penetrations of the nozzles in the liquid pool have also been analysed. It has been shown that the tubular nozzle leads to the formation of a solid shell that is thicker at the centre of the caster. The slot nozzle gives a more uniform thickness of the solid shell along the roll width. In both configurations, a thicker solid shell is formed close to the roll edges, due to the presence of the side dams.

It has also been demonstrated that the slot nozzle gives lower levels of turbulence at the free surface, which can have positive effects on the product quality. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La technologié de coulage de forme présque prete est l'un des domaines de recherche les plus importants de l'industrie du fer et de l'acier d'aujourd'hui. Les forces d'éntrainement du developpement de cette technologie incluent une réduction du nombre d'opérations requises pour les bandes produites conventionnellement. Ceci est spécialement vrai des opérations de laminage à chaud. La réduction conséquente du cout d'investissement, lorsque l'on considère de nouvelles installations industrielles, rend les operations de coulage de forme presque prete extremement attirantes du point de vue commercial.

Différents procédés de coulage de l'acier de forme presque prete sont couramment en développement à travers le monde. Parmi ces procedes, les machines de coulage à rouleaux jumelés en représentent un domaine important de concentration. Nous croyons que l'un des principaux sujets concernant la conceptualisation de machines de coulage a rouleaux jumeles est le systeme de decharge du metal et son effet sur l'homogeneite de la formation de l'enveloppe solide, sur la segregation et sur la qualite de la surface.

Dans le présent travail, on a utilisé la dynamique des fluides par ordinateur pour étudier les differents systèmes de décharge du métal du coulage a rouleauxjumeles. On a adapte le code METFLO pour simuler l'ecoulement de fluide turbulent a trois dimensions, le transfert de chaleur et la solidification, dans cette sorte de machine. On a utilise la technique enthalpie-porosite pour coupler les phenomenes d'ecoulement de fluide et de solidification. À date, on a étudié deux configurations du système de décharge du métal. L'une d'entre elles est unjet tubulaire conve ntionnel avec sorties horizontales dans la direction des barrages latéraux. L'autre est un jet a fente avec un jet d'entrée vertical.

On a appliqué ces simulations à une machine de coulage pilote à l'étude au Canada, avec un rayon du rouleau de 0.30 m, produisant des bandes d'acier d'une épaisseur variant entre 4 et 7 mm, à des vitesses relativement basses des rouleaux, entre 4 et 12m/min. On a aussi analysé différentes positions et pénétrations des jets dans le bain liquide. On a montré que lejet tubulaire conduit à la formation d'une enveloppe solide qui est plus épaisse au centre de la machine à couler. Le jet à fente donne une epaisseur plus uniforme de l'enveloppe solide tout au long de la largeur du rouleau. Dans les deux configurations, une enveloppe solide plus epaisse se forme pres du bord des rouleaux, dl1it la presence des barrages lateraux.

On a aussi demontre que Iejet a fente donne de plus faibles niveaux de turbulence à la surface libre, ce qui peut avoir des effets positifs sur la qualité du produit. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Liquid Steel Transfer — The Delivery of Quality

Abstract

During recent years, in parallel with developments in high-speed casting, there have been increasing demands for improved steel quality. These demands are being met by advances in our knowledge of the chemical, physical and thermal interactions between steel, gas, slag and refractory phases which take place within individual reactors as well as during transfer operations. Transfer operations must be precisely controlled, otherwise they become destroyers of quality, and quality achieved within one reactor can be lost during transfer to the next. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Au cours des dernières années, en parallèle avec 1es développements de la coulée haute vitesse, il y a eu une demande croissante de l'amélioration de la qualité de l'acier. On satisfait à ces demandes par l'avancement de notre connaissance des interactions chimiques, physiques et thermiques entre les phases d'acier, de gaz, de scories et de ráfractaires qui se produisent à l'interieur des récteurs individuels aussi bien que lors des opérations de transfert. On doit controler précisément les opérations de transfert, autrement elles deviennent des destructrices de qualité. En eilet, la qualité obtenue à l'intérieur d'un réacteur peut etre perdue lors du transfert vers le réacteur suivant. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved     

High Speed SBQ Casting at Chaparral Steel

Abstract

Chaparral Steel is a 1.8 million ton per year “market mill” located just South of Dallas, Texas. Our current product mix consists of 75% structural, 20% special bar quality (SBQ) and 5% rebar. This production is achieved with two ultra high powered EAFs, three casters, two structural mills and one bar mill.

In the summer of 1995, Chaparral Steel converted the SBQ, four strand 5 × 634″ caster to high speed casting. Prior to that conversion “A” caster would run at approximately 85 tons per hour, which caused a bottleneck in the shop because the furnace could out-pace the casting machine. Consequently furnace delays were very frequent.

With the advent of high speed casting, the casting speed increased from 80 to 120″ per minute. “A” caster can now run at more than 140 tons per hour, easily outpacing “A” furnace. This allows us to run most of the time with three strands operating, essentially leaving one strand as an in-line spare. This in-line spare gives us the flexibility to either terminate cast on a strand with quality problems, or run on four strands when extra short term casting capacity is required. © 2000 Published by Elsevier Science Ltd on behalf of the Canadian Institute of Mining and Metallurgy. All rights reserved.

Résumé

Acier Chaparral est un “moulin de marche” de 1.8 million de tonnes par année, situé juste au sud de Dallas, au Texas. Présentement, nos produits consistent en 75% deproduits de structure, 20% de “Barres de Qualité Spéciale” (SBQ) et 5% de barres nervurées. On obtient cette production grace à deux EAFs à pouvoir ultra élevé, trois appareils à couler, deux moulins structuraux et un moulin pour barres.

Au cours de l'été 1995, Acier Chaparral a converti l'appareil à couler SBQ, à quatre lignes de 5 × 634″, en appareil à couler à haute vitesse. Avant cette conversion, l'appareil “A” fonctionnait approximativement à 85 tonnes a l'heure, ce qui causait un etranglement dans l'atelier parce que le four pouvait fonctionner plus rapidement que l'appareil de coulage. Consequemment, les delais du four etaient tres frequents.

Avec l'arrivee du coulage à haute vitesse, la vitesse de coulage a augmenté de 80 à 120 pouces par minutes. L'appareil “A” peut maintenant fonctionnere à plus de 140 tonnes à l'heure, dépassant facilement le four “A”. Ceci nous permet de fonctionner la plupart du temps avec trois lignes en opération, laissant essentiellement une ligne de réserve disponible. Cette ligne de reserve nous donne la flexibilite soit de terminer la coulee sur une ligne ayant des problemes de qualite, soit de fonctionner avec les quatre lignes quand une capacite de coulage a tres court terme est requise. © 2000 Published by Elsevier Science Ltd on behalf of the Canadian Institute of Mining and Metallurgy. All rights reserved.     

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.     

Technological Developments for High Speed Casting of Sensitive Steel Grades

Abstract

Several years ago, in response to the trends in continuous casting technology, Paul Wurth undertook a program to develop and improve casting technology for high quality billet and bloom production.The goal of the program was to simplify the casting machine and design the equipment to be able to produce high quality billets at higher casting speeds. The approach was three-fold: first, design a new oscillation system with more control and flexibility; second, improve the spray conditions to support the higher casting speeds; and third, implement longer mold designs. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Il y a plusieurs aneées, en résponse aux tendances de la technologie de coulée continue, Paul Wurth a entrepris un programme de développement et d'amélioration de la technologie de coulée pour la production de haute qualité de billette et de lingot. Le but du programme était de simplifier l'appareil de coulée et de concevoir de l'equipement permettant de produire des billettes de haute qualité à de plus grandes vitesses de coulee. L'approache comprenait trois parties; premieéement, concevoir un nouveau système d'oscillation avec plus de contrôle et de felxibilité, deuxiemement, ameliorer les conditions d'aspersion afin de supporter les plus grandes vitesses de coulée et, troisèmement, fabriquer des moules plus longs. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Development of Mold (HS-MOLD) for High Speed Casting

Abstract

For the purpose of improving the productivity of electric arc furnace, it is required to increase the casting capacity at the continuous casting machine. To achieve this purpose, we have developed a Special Taper Tube for high speed casting (HS-Mold), together with Kyoei Steel Ltd. Along with this development, we have also established the high speed casting technologies to cast at the speed of 4.6 m/min for 130 mm² billets, by implementing high pressurized mold water spraying and improving the cooling water pressure at the roller apron. © 2000 Published by Elsevier Science Ltd on behalf of the Canadian Institute of Mining and Metallurgy. All rights reserved.

Résumé

Dans le but d'améliorer la productivité du four électrique à arc, on doit augmenter la capacité de coulage de l'appareil de coulée continue. Dans ce but, nous avons développé un tube spécial effilé pour le coulage à haute vitesse (moule-HV), avec Kyoei Steel Ltd. En parallèele avec ce développement, nous avons aussi établi les techniques de coulage à haute vitesse, coulant ainsi à la vitesse de 4.6 m/min pour des billettes de 130 mm². Pour ce faire, nous avons installe un systeme d'aspersion du moule avec de l'eau a haute pression et nous avons amélioré la pression de l'eau de refroidissement à la hauteur du tablier roulant. © 2000 Published by Elsevier Science Ltd on behalf of the Canadian Institute of Mining and Metallurgy. All rights reserved.     

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.     

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.     

The determination of oxygen activity in liquid steel and the practical use of these values to control deoxidation

Abstract

The application of a galvanic oxygen-concentration cell to measure dissolved oxygen content in molten steel has been investigated using Leigh Instruments’ Oxygen Probe. Data collected on 65 BOF heats (0.12% max. carbon) were processed for multiple correlation analysis on Algoma Steels IBM 1150 computer. Nomographs, to predict the oxygen concentrations in liquid steel before tap, were constructed on the basis of regression equations developed from multiple analysis. Results show that oxygen concentrations in low carbon steels (0.12% max. carbon), determined with the help of these nomographs, are within less than 10% of the true oxygen values obtained by using oxygen probe measurements.

Oxygen values determined before tap are later used as a basis for etermining ladle aluminum requirements for low-carbon, aluminum-killed (L.C.A.K.) BOF steels. Another nomograph is constructed from which the quantity of aluminum to be added to the ladle can be directly read. Results show that the per cent frequency in meeting aim aluminum ranges for these heats has nearly doubled since the nomograph has been used in production. Considerable savings in aluminum consumption have also been reported, together with a sizable reduction in the diversion rate for L.C.A.K. steel.

Résumé

L'applicabilite d'une sonde à oxygène pour mesurer l'oxygène dissout dans l'acier liquide a été appréciée en utilisant une sonde à oxygène de Leigh Instruments. Les données recueillies sur 65 charges de convertisseur à oxygené (0.12% max. de carbone) ont été analysées par corrélations multiples, sur calculateur IBM 1150 de l'Algoma. Les nomogrammes, pour prédire la concentration d'oxygéne dans l'acier liquide avant la coulée, ont été construits à partir des équations de régression obtenues après analyse statistique des résu1tats. Les résultats subséquemment obtenus de ces nomogrammes montrent que les concentrations en oxygène pour les aciers à bas carbone (0.12% max. de carbone) ne diffèrent pas de plus de 10% des valeurs obtenues par mesure directe de l'oxygene avec la sonde à oxygéne.

Les valeurs d'oxygène ainsi obtenues avant la coulée sont par la suite utilisées pour déterminer les quantités d'aluminium dans la poche de coulée a ajouter pour ces aciers de convertisseur à oxygène à bas carbone calmés a l'aluminium. Un autre nomogramme a été construit a partir duquel on peut lire directement la quantité d'aluminium, a ajouter dans la poche de coulée. Les résultats démontrent que depuis que ce nomogramme a été utilisé en production, le pourcentage de fois que la quantité d'aluminium nécessaire ajouté s'est avéré exacte a presque doublé. Ses économies substantielles dans la consommation d'aluminium ont été ainsi enregistrées ainsi qu'une réduction appréciable de différence dans les nuances de ces aciers à bas carbone, calmé à l'aluminium.     

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.     

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.     

Estimation of porosity and shrinkage in a cast eutectic Al–Si alloy

Estimation of volume deficit of US 413 cast aluminium alloy has been discussed in the present study. Decrease in specific volume leads to volume deficits in castings and it can be envisaged as a casting defect. Hence, information about volume deficit and its distribution is essential in minimising casting defects. The volume deficit of a given casting is the combination of macro cavities, internal porosity, surface sinks and volumetric contraction. These defects are measured using mathematical formulae. Estimation of internal closed porosity has been addressed through X-ray computer tomography. Influence of pouring temperature on the volume deficit characteristics has been studied.

Dans cette étude, on discute de l’estimation du déficit volumique de l’alliage coulé d’aluminium US 413. La réduction du volume spécifique mène à un déficit volumique dans les moulages que l’on considère comme un défaut de coulée. En conséquence, l’information concernant le déficit volumique et sa distribution est essentielle dans la restreinte des défauts de coulée. Le déficit volumique d’un moulage donné consiste en une combinaison de macro cavités, de porosité interne, de puits de surface et de contraction volumétrique. Ces défauts sont mesurés en utilisant des formules mathématiques. On a abordé l’estimation de la porosité interne fermée au moyen de la tomographie par ordinateur avec rayons x. On a étudié l’influence de la température de coulée sur les caractéristiques du déficit volumique.     

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.     

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.