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.     

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.     

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.     

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.     

Mathematical and Physical Modelling of Fluid Flow and Heat Transfer in Electric Smelting

Abstract

Heat and momentum transfer in a submerged electric smelting furnace were investigated in a physical model, using oil and an aqueous calcium chloride solution to simulate the slag and matte phases, respectively. Gas evolution at the electrode was simulated by the injection of gas through the electrode in the model. A mathematical model for fluid flow and heat transfer in the model was also developed. The measured temperature distributions near the oil/solution interface could only be reproduced in the mathematical model by the imposition of a no-slip boundary condition at the interface. This condition impedes the transfer of heat and momentum into the lower phase; the implications for smelting are discussed. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

On a étudié avec un modèle physique, le transfert de chaleur et de movement dans un four à fusion électrique submergé, en utilisant de l'huile et une solution aqueuse de chlorure de calcium pour simuler les phases de laitier et de matte, respectivement. Dans le modèle, l'évolution de gaz à l'électrode était simulée par l'injection de gaz à travers l'électrode. On a aussi développe un modèle mathematique de l'écoulement de fluide et de transfert de chaleur dans le modèle (physique). Dans le modele mathématique, on pouvait reproduire les distributions de temperature mesurée pres de l'interface huile/solution seulement si on imposait une condition limite de non-glissant à l'interface. Cette condition empeche le transfert de chaleur et de movement vers la phase inferieure; on discute des implications pour le traitement en fonderie. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Numerical Simulation of the Outokumpu Flash Smelting Furnace Reaction Shaft

Abstract

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

Résumé

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

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.     

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.     

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

Abstract

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

Résumé

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

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.     

Computational Modelling of Heat/Mass Transfer Near the Liquid-Solid Interface During Rapid Solidification of Binary Metal Alloys Under Laser Treatment

Abstract

This paper presents the results of an investigation into the problem of planar solid-liquid interface stability during rapid solidification of binary metal alloys under laser treatment. A new quantitative model is proposed. This model describes the self-organized development of stable spatially-periodic vortices in the melt near the solid-liquid interface due to concentration- (or thermal) capillary effects) together with effects due to the influence of normal concentration or temperature gradients directed from the interface towards the melt. These vortices give rise to a cellular structure at the solid-liquid interface of rapidly frozen melts.

A computer code was developed to solve the set of second-order linear differential equations which describe heat and mass transfer at the liquid-solid interface. This model allows calculation of the liquid phase velocity field, the second component concentration field in the melt, as well as the temperature field in the liquid and solid phases near the solid-liquid interface at a given solidification rate. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Ce document presenté les résultats de l'etude du problème de stabilité de l'interface solide-liquide plane lors de la solidification rapide d'alliages metalliques binaires par traitement au laser. On propose un nouveau modèle quantitatif. Ce modele decrit le développement auto-organisé de tourbillons stables,périodiques dans l'espace, dans le bain fondu près de l'interface solide-liquide. Ces tourbillons sont dus aux effets1 capillaires de concentration (ou thermiques) ainsi qu'à l'influence de la concentration normale ou des gradients de températures diriges de l'interface vers le bain fondu. Ces tourbillons donnent naissance à une structure cellulaire a l'interface solide-liquide des bains fondus rapidément solidifiés.

On a développé un code d'ordinateur pour resoudre l'ensemble d'equations differentielles lineaires de second ordre qui decrivent le transfert de chaleur et de masse à l'interface liquide-solide. Ce modèle permet le calcul du champ de vitesse de la phase liquide, du champ de concentration de la seconde composante dans le bain fondu, ainsi que du champ de temperature dans la phase liquide et la phase solide près de l'interface solide-liquide, à un taux donné de solidification. © 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     

Sintering and Ferrite Formation During High Temperature Roasting of Sulfide Concentrates

Abstract

The newly developed toroidal fluidized bed reactor has potential for improving sulfide roasting efficiency due to its unique and good mass/heat transfer characteristics. To achieve effective roasting at high temperature using the toroidal fluidized bed reactor, engineering issues associated with sintering and ferrite formation are investigated in this study by roasting industrial sulfide concentrates of zinc and copper. Laboratory tests are conducted at 800–1100°C by using an electric tube furnace under controlled roasting conditions. The test program is based on statistical design, and the products are characterized by XRD, SEM and EDX. It is revealed that the oxygen concentration plays an important role in promoting roasting. Roasting temperatures higher than 950°C do not favor roasting conversion due to the sintering of sulfide particles which inhibits oxygen diffusion into the particle core. Close contact of the oxidized particles favors the atomic interdiffusion between particles, leading to the formation of undesired zinc ferrite. Roasting in toroidal fluidized bed reactor results in zinc calcines with increased surface area and reduced zinc ferrite formation, thus improving zinc recovery. © 2000 Published by Elsevier Science Ltd on behalf of the Canadian Institute of Mining and Metallurgy. All rights reserved.

Résumé

Le réacteur toroïdal à lit fluidisé, développé récemment, a le potentiel d'améliorer l'efficacité du grillage du sulfure à cause de ses caractefristiques uniques de bon transfert de masse/chaleur. Afin d'obtenir un grillage efficace à haute température avec le reacteur toroïdal à lit fluidisé, on a examiné,dans cette étude, des questions d'ingénierie associées avec le frittage et la formation de ferrite, en grillant des concentrés industriels de sulfure de zinc et du cuivre. On a effectué des épreuves de laboratoire entre 800–1100°C avec une fournaise électrique tubulaire sous conditions controlées de grillage. Le plan d'évaluation est basé sur la conception statistique. On a caratérisé les produits par XRD, SEM et EDX. On revele que la concentration d'oxygene joue un role important dans l'activation du grillage. Les temperatures de grillage de plus de 950°C ne favorisent pas la transformation du grillage à cause du frittage des particules de sulfure, ce qui inhibe la diffusion d'oxygene au coeur de la particule. Le contact etroit entre les particules oxydees favorise l'inter-diffusion atomique entre les particules, conduisant à la formation de ferrite de zinc indesirable. Le grillage dans le reacteur toroidal à lit fluidise resulte en zinc de calcination ayant une plus grande superficie et en une réduction de la formation de ferrite de zinc, améliorant ainsi la récuperation du zinc. © 2000 Published by Elsevier Science Ltd on behalf of the Canadian Institute of Mining and Metallurgy. 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).     

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.     

Vacuum desulphurization of molten nickel

Abstract

A mass transfer model has been developed that describes the vacuum desulphurization of molten nickel. The basis of this model is simultaneous transport of dissolved sulphur and oxygen to the gasmelt reaction interface and elimination as sulphur dioxide. The main feature of this model is its accurate prediction of the dependence of the process kinetics on the oxygen content of the melts. This model successfully expains the post-boil desulphurization behaviour of 40 Kg and 120 Kg laboratory nickel melts over the whole range of sulphur and oxygen concentrations measured. The kinetic parameters thus determined were successfully used to predict the post-boil desulphurization behaviour of 5 and 15 tort nickel melts refined in commercial units.

Résumé

Nous avons dévelopé un modèle basé sur la théorie du transfert de masse pour décrire la vitesse de désulphuration du nickel liquide sous vide. L'essence de ce modèle est Ie transfert simultané du soufre et de l'oxygène en solution vers l'interface de réaction gaz-liquide et leur élimination sous forme gazeuse en tant que SO₂. Ce modèle predit avec précision les variations des vitesses de réaction en fonction de la concentration d'oxygene dans le metal liquide.

Nous avons utilisé ce modèle pour expliquer avec grand succés les caracteristiques de la desulphuration de bains de 40 et 120 Kg rafinés dans notre laboratoire. Le modéle peut être appliqué à tous les in tervalles de concentrations en soufre et en oxygène qui ont été traitées.

Les coefficients de cinétique chimique que nous avons obtenus de cette façon ont peut être utilises pour prédire les vitesses de désulphuration de bains de 5 et 15 tonnes rafinés dans nos usines de production d'acier inoxidable.     

A comparison between the predicted and experimental microstructure of electron beam welded eutectoid steel

Abstract

Experimental evidence is presented to support the assumptions included in the electron beam welding heat flow model of Goldaket al. (1). The predicted time-temperature curve of a point near the weld is compared with the calculated time-temperature curve. The observed and calculated fusion and transformed zone widths are compared. The microstructures in the fusion and heat-affected zones are compared with those predicted from calculated time-temperature curves and a continuous cooling diagram for AISI 1080 steel. The general agreement between the experimental and calculated results shows that reliable predictions can be made from a heat flow model that neglects latent heat and assumes a mean thermal diffusivity and thermal conductivity.

Résumé

Des faits expérimentaux sont présentés à l'appui des hypothèses formulées dans le modèle de Goldaket al. (1) sur l'éculement de chaleur au cours du soudage par faisceau electronique. La courbe prédite temps-température d'un point situé au voisinage de la soudure est comparée avec la courbe calculée. Sont également calculées les largeurs des zones de fusion et des zones transformées ainsi que les microstructures de ces zones avec celle prévue à partir des courbes de refroidissement et des diagrammes de transformation en refroidissement continu pour l'acier 1080. L'accord général obtenu entre les observations expérimentales et les faits prédits par calcul, montrent que des prédictions valables peuvent être faites à partir d'un modèle d' écou1ement de la chaleur qui néglige la chaleur latente et assume des diffusivité et conductibilité thermiques moyennes.     

The Kinetics of Slag-Metal Reactions

Abstract

The experimental techniques which are available for the study of the kinetics of slag-metal reactions are considered. The possible rate controlling mechanisms are briefly reviewed. An analysis is made of the various studies of slag-metal reaction kinetics and attempts are made to correlate the results of different investigations. Of particular interest in this context are the studies of silica reduction by carbon in iron and sulphur transfer studies between slag and metal. Studies of manganese, phosphorus and chromium transfer in ferrous systems are briefly reviewed as well as the reduction of ferrous oxide from slags.

Résumé

Dans cet article, les méthodes expérimentales disponibles pour l'etude de la cinétique des réactions métal-scorie sont exposées. Les mécanismes possibles pouvant contrôler les taux de réaction sont briévement revus. Une analyse des diverses études sur la cinétique des réactions métal-scorie est faite. De plus, des corrélations entre les résultats des différentes études ont tente d'etre obtenues. Un intérét dans ce domaine est l'etude de la réduction de la silice par le carbone present dans le fer, ainsi que les études du transfert du soufre entre le métal et la scorie. Les études sur le transfert du manganése, du phosphore et du chrome en présence de fer sont briévement revus ainsi que la réduction de l'oxyde de fer contenu dans la scorie.     

Yield loci of Zircaloy tubing with different textures

Abstract

Yield loci of four batches of Zircaloy-4 canning tubes with different textures were measured at room temperature for quadrants I and IV (axial tensile or compressive stresses in combination with internal pressure). The circumferential and axial strains were continuously recorded using applied strain gauges and maximum plastic strains of about 0.2%.

A comparison with the yield loci determined by Knoop hardness measurements gave marked differences in the shape of the yield loci. The experimental results showed that the shape of the yield loci of Zircaloy tubing can be altered by texture variations, mainly by changes in the tilt angle of the basal poles of the hexagonal zirconium crystals from the radial towards the tangential direction of the tubes. The yield loci of tubes with a sharp ideal orientation can be calculated successfully for all four quadrants on the basis of the active slip or twinning systems for specific biaxial loading conditions. It is shown that the use of the Von Mises yield criterion is limited to only a few texture and stress conditions.

Résumé

Les points d'ecoulement de quatre lots de tubes en Zircaloy-4, ayant des textures différentes, ont été mesurés à l'ambiante pour les quadrants I et IV (contraintes axiales de tension ou de pression juxtaposées a une pression interne). Les déformations circonférentielles et axiales furent continuellement enregistrées à l'aide de jauges de déformation et de déformations plastiques d'environ 0.2%.

Des différences marquées dans la forme du point d'écoulement furent observées en comparaison avec celle mesurée par dureté Knoop. Les résultats expérimentaux ont montré que la forme du point d'ecoulement de tubes de Zircaloy peut être modifiée par des variations de texture surtout par des changements dans l'angle d'inclinaison des pôles du plan de base du zirconium, de la direction radiale vers la direction tangentielle des tubes. On peut ca1culer avec succés le point d'écoulement pour les quatre quadrants, de tubes ayant une orientation idéale marquée, en se basant sur les systèmes actifs de glissement ou de maclage pour des conditions spécifiques de contrainte biaxiale. On montre qu'on peut utiliser le critère d'écoulement de von Misès seulement pour quelques conditions de texture et de contraintes.