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.     

Thermal decomposition of pyrite in fluidized beds

Abstract

The thermal decomposition of pyrite concentrate into sulphur arid synthetic pyrrhotite was investigated in bench and semi-pilot scale fluidized bed reactors fired with methane or fuel oil. The pyrite was decomposed in a bed of coarse sand and the product pyrrhotite was carried over with the fluidizing gases and separated in hot cyclones. The effects of fuel/air ratio, reactor temperature, superficial gas velocity, particle size and feed rate on the elimination of labile sulphur were studied. Conversion was enhanced by slightly reducing atmospheres, low feed rates, high gas velocities and reaction temperature (in the range 740° to 830°C). Elutriation rates of pyrrhotite particles from the fluidized bed were measured and mean residence times determined as a function of particle size and superficial gas velocity. Conversion rates are considered with regard to possible rate-controlling steps in the thermal decomposition of pyrite.

Résumé

La décomposition thermique de concentré de pyrite en soufre et en pyrrhotite synthétique a été étudiée en laboratoire et à une échelle semi-pilote dans des réacteurs à lit fluidisé chauffés avec du méthane ou de l'huile combustible. On a décomposé la pyrite sur un lit de sable grossier et la pyrrhotite produite a été entraînée avec le gaz fluidisant et séparée dans des cyclones chauds. Les effets du rapport combustible/air, de la température du réacteur, de la vitesse superficielle du gaz, de la taille des particules et de la vitesse d'alimentation sur l'élimination du soufre labile ont été étudiés. On a amélioré la transformation avec des atmosphàres légàrement réductrices, des vitesses d'alimentation lentes, de grandes vitesses pour le gaz fluidisant et une élévation de la température (dans le domaine 740 à 830°C). La vitesse d'élution des particules de pyrrhotite dans le lit fluidisé à été mesurée et on a déterminé des temps moyens de résidence en fonction de la taille des particules et de la vitesse superficielle du gaz. On a aussi étudié les changements de vitesses afin de déterminer les étapes pouvant contrôler la vi tesse de décomposition thermique de la pyrite.     

The dissolution of nitrogen in metallurgical slags

Abstract

Nitrogen is soluble in CaO-SiO₂-Al₂O₃ slags under a variety of highly reducing conditions. With graphite as reducing agent, the solubility increases with increasing CaO and decreasing SiO₂ contents, dropping off, however, at very low SiO₂. At 1550°C and 1 atmos. N₂, it lies between 0.25 and 2.5 wt.%. It is steeply temperature dependent, and reaction is slow. Equilibrium-constant calculations for possible dissolution reactions indicate that there is no single mode of dissolution covering all compositions. However, it appears that at intermediate CaO and SiO₂ contents, carbon participates directly, probably forming CN^? ions, whereas in SiO₂-rich melts, nitrogen enters the silicate network. In the absence of graphite, using excess Si or Al as reductants, nitrogen pick-up of the same order of magnitude is observed, but with less marked composition and temperature dependence. Reaction is rapid. Large quantities (> 3 wt.%) can be dissolved via Si₃N₄, and the presence of CaC₂ also promotes appreciable dissolution.

Résumé

L'azote peut se dissoudre dans les laitiers du type CaO-SiO_2? Al₂O₃ lorsque les conditions sont réductrices. En présence de graphite, la solubilité croît en fonction de la teneur en CaO et en fonction inverse de la teneur en SiO₂. Elle retombe, cependant, aux teneurs très faibles en SiO₂. La solubilite de l'azote, à 1550°C et 1 atm de N₂, s'établit entre 0.25 et 2.5% en poids. Les valeurs obtenues varient fortement en fonction de la température. La vitesse de réaction est lente. Le calcul de la constante d' équilibre correspondant à diverses réactions hypothétiques montre qu'on ne peut pas appliquer une réaction de dissolution unique à toutes les compositions. Il n'en demeure pas nloins que le carbone, aux teneurs moyennes en CaO et en SiO₂, affecte le processus de dissolution en formant des ions CN^? alors que dans les laitiers riches en SiO₂, l'azote s'associe au réseau d'ions silicate. L'absorption d'azote, en l'absence de graphite mais en présence d'un excédent d'agent réducteur, Si ou Al, demeure du même ol'dre de grandeur avec, toutefois, un effet moins prononcé de la température ou de la composition du laitier. La réaction de dissolution est alors rapide. La dissolution par l'intermédiaire du composé Si₃N₄ permet de dissoudre une grande quantité d'azote (>3% en poids). La présence de CaC₂ favorise aussi la dissolution d'une quantite appreciable. d'azote dans le laitier.     

Hot Ductility of Tool Steels

Abstract

Four tool steels (A2, D2, M2 and W1) representing a wide variety of compositions (and carbide content) were hot deformed in torsion between 900 and 1200 °C at strain rates of 0.1, 1 and 4 s^?1. Carbides contribute to an increase in strength but to a lower ductility. The plain carbon tool steel (W1) with no carbides was very ductile at all test conditions, but the alloy steels displayed poor ductility due predominantly to void formation around the carbides at lower and medium temperatures and incipient melting at higher temperatures. The effects of carbides on ductility depend on their morphology and distribution. Alloy tool steels experience eutectic solidification of the networks of primary carbides that are broken up by hot working thereby improving ductility. Hot rolled stocks experience directional ductility; such anisotropy is reduced by further working. The alloy steels display parabolic ductility curves for each strain rate; the ductility increases with decreasing strain rate and a rise in temperature up to a maximum of about 1000 °C for A2 and D2 and about 1050 °C for M2. The M2 steel, despite having the highest volume fraction of carbides and strength, displays the greatest ductility followed relatively closely by A2. D2, though close to M2 in carbide volume and strength, has much lower ductility.

On a déformé par torsion à chaud, entre 900 °C et 1200 °C, à des taux de déformation de 0.1, 1 et 4 s-1, quatre aciers à outils (A2, D2, M2 et W1), couvrant une bonne variété de compositions (et de teneurs en carbure). Les carbures augmentent la résistance à la traction mais diminuent la ductilité. L'acier à outils au carbone (W1), sans carbures, était très ductile sous toutes les conditions d'essais. Les aciers alliés ont affiché une faible ductilité à cause, principalement, de la formation de lacune autour des carbures, aux températures basses et intermédiaires, et à cause de la fonte initiale, aux plus hautes températures. L'effet des carbures sur la ductilité dépend de leur morphologie et de leur distribution. Les aciers alliés à outils subissent une solidification eutectique des réseaux de carbures primaires qui sont brisés par le formage à chaud, ce qui améliore la ductilité. Les matériaux laminés à chaud montrent une ductilité directionnelle; une telle anisotropie est réduite par le formage additionnel. Les aciers alliés affichent des courbes de ductilité paraboliques pour chaque taux de déformation, la ductilité augmentant avec une diminution du taux de déformation et une augmentation de la température, jusqu'à un maximum d'environ 1000 °C pour le A2 et le D2 et d' environ 1050 °C pour le M2. L'acier M2, en dépit de sa plus grande fraction volumique de carbures et d'une plus grande résistance, affiche la plus grande ductilité, suivi de relativement près par le A2 puis par le D2 qui, bien que se rapprochant du M2 pour ce qui est du volume en carbure et de la résistance, a une ductilité beaucoup plus faible.     

Growth of wustite scales on steels

Abstract

Oxidation properties were investigated of iron, iron-nickel alloys containing up to 40 wt% nickel, and an iron ?1.5 wt% silicon alloy exposed to carbon dioxide - carbon monoxide atmospheres at 1000°C. Wustite was the only oxide formed on iron and the iron-nickel alloys. On the iron-silicon alloy, a superficial duplex scale was formed consisting of a wustite-fayalite conglomerate beneath the external wustite layer. Oxidation rates over extended time periods were governed by linear kinetics, the linear rate constants depending proportionally on the carbon dioxide partial pressures. The mechanism for linear oxidation of iron and the alloys may be interpreted by a model wherein the phase boundary reactions for the dissociation of carbon dioxide and incorporation of chemisorbed oxygen into wustite are the rate-determining steps.

Résumé

Les auteurs ont étudié les propriétés d'oxydation du fer, d'alliages fer-nickel contenant jusqu' à 40%p. de Ni et de fer-1.5% p. Si exposés à des atmosphéres de CO-CO₂ à 1000°C. Dans Ie cas du fer et des alliages fer-nickel Ie seul oxyde qui se formait était la Wüstite. Pour Ie fer-silicium, sous la couche externe de Wüstite se formait un composé double de Wiistite et de fayalite. Pour de longues périodes de temps, les taux d'oxydation suivent une cinétique linéaire dont les contraintes sont proportionnelles à la pression partielle du CO₂. Le mécanisme d'oxydation linéaire du fer et des alliages étudiés peut être interprété par un modèle pour lequel les facteurs déterminants sont les réactions de joints de phase pour la dissociation du CO₂ et l'incorporation de l'oxygene chemisorbé dans Ie Wüstite.     

Novel Concept of An Alumina Emf Sensor For Cryolite Melts

Abstract

A disclosed electrochemical sensor for in situ measurements of alumina content of a cryolite bath in an aluminum cathodic reduction vessel is made of two dissimilar electrodes: (1) aluminum carbide as the reference electrode, and (2) an electrode comprising a mixture of a metal alloy (CaNi₅) and calcium aluminate or a mixture of beryllium (Be) and beryllium aluminate. The sensor also includes a non-conducting refractory housing holding the thermocouple for temperature measurement and two electrodes, one being the reference electrode.

There is a need for in situ measurements of the alumina content of a cryolite bath at regular intervals, in order to improve the operating efficiency of the cathodic reduction process in the manufacture of aluminum. It is with this practical application in mind that a novel concept of the alumina electromotive force (EMF) sensor is presented in this paper.

Le capteur électrochimique exposé vise les mesures in situ du contenu en alumine du bain de cryolithe de la cuve de réduction cathodique de l'aluminium. Le capteur est constitué de deux électrodes dissemblables: (1) carbure d'aluminium, comme électrode de référence; (2) une électrode comprenant un mélange d'un alliage métallique (CaNi₅) et d'aluminate de calcium ou bien un mélange de béryllium (Be) et d'aluminate de béryllium. Le capteur comprend également un boîtier réfractaire non conducteur abritant la thermocouple pour les mesures de température et deux électrodes, l'une étant l'électrode de référence.

Afin d'améliorer l'efficacité d'opération du procédé de réduction cathodique lors de la production d'aluminium, on a besoin de mesurer in situ, à intervalles réguliers, le contenu en alumine du bain de cryolithe. C'est avec cette application pratique en tête que l'on présente dans cet article ce concept nouveau de capteur fem d'alumine.     

Estimating grinding power requirements

Abstract

The chioride volatilization process of Producing pyrite cinder is discussed in Terms of thermodynamic properties of The reactions and several series of experiments Are described. CaCl₂. Ride was selected as the experimental Chloridizing reagent, because the pellets Obtained by this process are commonly Used in the Fe blast furnace. The results obtained can be summarized As follows. (1) maximum removal of metal impurities From pyrite cinder requires Rapid heating especially through the temperature range 600 to 1000°C. (2) The reduction in elimination efficiency By slow heating is due to the premature Decomposition of calcium chloride at Low temperature-in the presence of sulphur in the pyrite cinder. (3) pyrite Cinder containing comparatively low . Sulphur and arsenie is best suited as A raw material for this process. (4) the Existence of moisture and SoP. Dioxide in the furnace gas greatly reduces The efficiency of impurity elimination. (5) the optimum temperature For metal impurity elimination is 1100°C. (6) treatment at 120C°c gives Good sulphur elimination and improved mechanical strength.

Résumé

Le procédé de production de cendres de pyrite par volitilisation de chlorures est discuté en termes des propriétés thermodynamiques de réactions et plusieurs séries d'expériences sont décrites. Pour ces expériences, Ie chlorure de calcium a été choisi comme chlorurant car les agglomérés obtenus par ce procédé sont couramment utilisés dans le haut-foumeau. Les résultats obtenus peuvent étre énumérés comme suit: (1) L' élimination la plus grande d'impuétés métalliques des cendres de pyrite exige un chauffage rapide surtout dans la zone de température de 600 á 1OOO°C. (2) La diminution du taux d' élimination provoqué par un chauffage lent est due á la décomposition préntaturée du chlorure de calcium à basse température, en presence de soufre, contenu dans les cendres. (3) Les cendres de pyrite. contenant comparativement peu de soufre et d'arsenic sont les materiaux les plus appropries pour ce traitement. (4) La presence d'humidite et de dioxyde de soufre dans les gaz du four réduit grandement le taux d' élimination. des impuretés. (5) La température optimale pour l' élimination des impuretés métalliques est 1100°C. (6) Un traitement à 1200°C donne une bonne élimination du soufre et améliore la mécanique.     

Solvent refining of silicon using nickel as impurity getter

Abstract

The effectiveness of Ni as an impurity trapper in refining of silicon has been studied. Metallurgical grade silicon was alloyed with Ni and the molten alloy solidified by slow cooling at various cooling rates. Silicon dendrites grown during solidification of the alloy were subsequently recovered from the matrix by employing a heavy media separation technique. The process efficiency was studied in terms of the effectiveness of the physical separation technique and the degree of purification of Si.

On a étudié l’efficacité du Ni comme piège à impureté dans l’affinage du silicium. On a allié avec du Ni le silicium de qualité métallurgique et l’on a solidifié l’alliage fondu par refroidissement lent à différentes vitesses de refroidissement. On a ensuite récupéré de la matrice les dendrites de silicium formées lors de la solidification de l’alliage en employant une technique de séparation à média lourds. On a étudié le rendement du procédé par rapport à l’efficacité de la technique de séparation physique et au degré de purification du Si.     

Silicon reduction of alkali metal oxides of the type Na2O·Al2O3–xSiO2

Abstract

During the silicothermic production of magnesium from dolomite, alkali metals are produced. Assuming that these metals are present in the ore as complex oxides, the silicon reduction of the mineral nepheline syenite was examined.

This mineral was very resistant to reduction by silicon. At. 1150°C, reaction was 65% complete in seven hours. When MgO and CaO were added, the reaction was 50% complete in two hours. It is suggested that the magnesium gas produced by the reduction of MgO reduces the alkali metal silicate.

Résumé

Au cours de la préparation du magnésium par silicothermie il y a production de métaux du groupe alcalin. En faisant l'hypothese que ces métaux proviennent d'oxydes complexes compris dans le minerai il devenait intéressant d'examiner la réduction de la syénite néphélénique par sillcothermie.

Cette espèce minérale est très refractaire à la réduction par le silicium. A 1150°C la réaction était à 65 p. 100 complétée en sept heures. En présence de MgO et de CaO la réaction était à 50 p. 100 complétée en deux heures. Il semblerait que la vapeur de magnésium provenant de la réduction du MgO réduise le silicate du métal alcalin.     

Reactivity of silicon steels hot-dip galvanizing

Abstract

Excessive reactivity of silicon-bearing steels in hot-dip galvanizing is well known. No adequate explanation exists as to why silicon should be so effective in destabilizing the layers of Fe-Zn intermetallies allowing free access of zinc to the reaction interface and causing linear kinetics to persist throughout the galvanizing reactions. Another important aspect of the silicon effect is the formation of grey coatings.

Special galvanizing experiments combined with electron microprobe and scanning electron microscope analyses and a critical reconsideration of existing knowledge allow us to present a consistent mechanistic picture of the silicon-induced reactivity and grey-coating phenomena.

Résumé

La réactivité excessive des aciers con tenant du silicium, lors de la galvanisation par immersion, est bien connue. Il n'existe aucune explication satisfaisante de la grande efficacité du silicium pour provoquer l'instabilité des couches d'intermétalliques Fe-Zn. Cette instabilité permet au zinc d'atteindre librement l'interface de réaction, ce qui fait que la cinétique demeure linéaire tout au cours des réactions de galvanisation. De plus, le silicium a une influence importante sur la formation de revêtements gris

Des expériences spéciales de galvanization combinées avec des analyses à la microsonde et au microscope électronique à balayage et un examen critique des connaissances actuelles, nous permettent de suggérer une image logique des phénomènes de la réactivité engendrée par le silicium et du revêtement gris.     

Reduction behaviour of rice husk ash for preparation of high purity silicon

Abstract

The reduction of rice husk ash (RHA) silica for the preparation of high purity silicon was studied using magnesium as the reducing agent. Composite magnesium–RHA pellets with magnesium content varying 0–25 wt-% in excess of stoichiometry requirement were made and heated in the temperature range of 600–900°C under flowing argon. It was found through differential thermal analysis and temperature profile recording that the reaction of RHA silica with magnesium was triggered at ～575°C. Quantitative X-ray diffraction analyses of the reduction products showed that both initial magnesium content of the pellets and the reduction dwell temperature had a significant influence on the yield of silicon. In this study, a charge with 5 wt-% magnesium in excess of the stoichiometric amount at a reduction temperature of 900°C gave a maximum silicon yield.

On a étudié la réduction de la silice de cendre de balle de riz (RHA) dans la préparation de silicium à haut degré de pureté en utilisant du magnésium comme agent de réduction. On a fabriqué des boulettes composites de magnésium-RHA avec une teneur en magnésium variant de 0 à 25% en poids en excès des besoins de la stoechiométrie et on les a chauffées dans la gamme de température de 600 à 900°C sous un flux d’argon. On a trouvé, par analyse thermique différentielle (DTA) et par enregistrement du profil de température, que la réaction de la silice de RHA avec le magnésium était déclenchée à environ 575°C. Des analyses quantitatives par XRD des produits de réduction ont montré que tant la teneur initiale en magnésium des boulettes que la température de maintien de la réduction avaient une influence importante sur le rendement en silicium. Dans cette étude, une charge avec 5% en poids d’excès de magnésium sur la quantité stoechiométrique à la température de réduction de 900°C donnait un rendement maximal de silicium.     

Strengthening Characteristics of AA6111 Aluminum

Abstract

In this study the effect of cold work on the precipitation process in AA6111 was evaluated with a view to establishing its role on the strengthening characteristics. The results showed a considerable improvement in yield and tensile strength with an increasing level of prestrain. Yield and tensile strength decreased with increasing aging temperature at a given level of prestrain. At fixed levels of prestrain, the aging response varied with aging temperature. The peak aging time decreased with the increasing temperature. Scanning electron microscopy revealed the presence of intermetallics. Transmission electron microscopy showed that the density of dislocation tangles increased with an increasing degree of prestrain.

Dans cette étude, on a évalué l'effet de l'écrouissage sur le procédé de précipitation de AA6111 en vue d'établir son rôle sur les caractéristiques de renforcement. Les résultats montrent une amélioration considérable de la limite d'élasticité et de la résistance à la traction avec une augmentation du niveau de pré-déformation. La limite d'élasticité et la résistance à la traction diminuaient avec une augmentation de la température de vieillissement à un niveau donné de pré-déformation. À des nivaux fixes de pré-déformation, la réponse au vieillissement variait avec la température de vieillissement. La dureté maximale de vieillissement diminuait avec une augmentation de la température. La microscopie électronique à balayage a révélé la présence de composés intermétalliques. La microscopie électronique à transmission a montré que la densité des enchevêtrements de dislocation augmentait avec une augmentation du degré de pré-déformation.     

Reduction of chromites in methane-hydrogen mixtures-chromium sesquioxide

Abstract

Chromium sesquioxide can be reduced to chromium metal or carbide by mixtures of hydrogen and methane. The mechanisms and conditions for these reactions have been determined using simulation of the effects of methane cracking by controlled addition of carbon. The work forms a basis for the investigation of reduction of chromite ores by coke-oven or natural gas. This reaction is of economic interest because the oxygen tends to be removed as carbon monoxide, thus retaining the reducing potential of the effluent gases. Kinetic data were collected from temperature programmed experiments to which a model, based upon the shrinking-core concept for gas-solid reactions, was found to be applicable. The solid-solid carbon-chromium oxide reduction is the sum of three chemical reactions and is catalyzed by hydrogen, although carbon monoxide diminishes the effect of this catalysis below 1200°C.

Résumé

Le sesquioxide de chrome peut être réduit à l'état de métal chrome ou de carbure de chrome par les mélanges hydrogène-méthane. Les mécanismes et les conditions de ses réactions ont éte déterminés en utilisant la simulation des effets de «cracking» du méthane par des additions contrôlées de carbone. Ce travail est primordial pour l'étude de la réduction des minerais de chromite pour les gaz des fours à coke ou le gaz naturel. Cette réaction a un intérèt économique parce que l'oxygène tend à être éliminé sous forme monoxyde de carbone, qui conserve le potentiel réducteur des gaz qui s'echappent. Les données cinetiques ont été collectées à partir des expériences avec programmation de la température pour lesquelles un modèle fonde sur l'hypothèse d'une réduction à symétrie sphérique pour les réactions solide-gaz s'est révélé applicable. La réaction solide-solide de réduction de l'oxyde de chrome par le carbone est la somme de trois réactions chimiques et est catalysée par l'hydrogène bien que l'oxyde de carbone diminue son effet catalytique pour des températures inferieures à 1200°C.     

Determination of oxygen activities in iron-vanadium alloys by a levitation melting procedure

Abstract

The effect of vanadium on the activity of oxygen in liquid iron has been determined by a new method based on levitation melting. With water-vapour/hydrogen mixtures to control the oxygen potential of the gas phase, thermal diffusion effects caused uncertainty in the actual gas composition at the droplet interface. For this reason the data have not been used to determine equilibrium constants directly although it has been shown that they can be evaluated by conducting experiments with the addition of an inert gas to change the mean molecular weight of the gas mixture. By expressing the data in terms of an apparent equilibrium ratio vanadium-oxygen interaction parameters have been calculated for temperatures between 1550° and 1750°C. The results agree well with data obtained from crucible experiments where thermal diffusion effects were eliminated by bubbling the gas through the melt.

Résumé

L'effet de vanadium sur l'activite de l'oxygéne dans le fer liquide a été déterminé en utilisant une nouvelle méthode fondée sur la lévitation électromagnetique du spécimen en fusion. Le potentiel d'oxygène de la phase gazeuse a été contrôlé au moyen de mélanges de vapeur d'eau et d'hydrogene. Les auteurs n'ont pas déterminé les constantes d'équilibre vu l'existence du phénomène de diffusion thermique qui introduisait une incertitude quant à la composition du mélange gazeux à l'interface du spécimen. Ces constants pourraient être déterminées au moyen de manipulations qui consisteraient à faire varier le poids moléculaire moyen du mélange gazeux par addition d'un gaz inerte. Les paramètres d'interaction entre le vanadium et l'oxygène ont été calculés pour des températures variant de 1550°C a 1750°C en exprimant les données en fonction d'une constante apparente d'équilibre. Les résultats sont en bon accord avec les résultats obtenus à partir de manipulations utilisant des creusets où la diffusion thermique avait été éliminée en faisant passer le mélange gazeux à travers le bain.     

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.     

A review of problems in iron-ore reduction by solid-state processes

Abstract

This paper reviews the problems involved in iron-ore reduction by the solid-state processes. These processes are mostly limited to a 700°–1100°C temperature range. Because the rate of chemical reactions is relatively slow within this range compared with the blast furnace in which temperatures are much higher, the kinetics of iron-ore reduction assumes great importance.

The generally accepted reduction mechanisms are described as well as the reaction rate-controlling steps and chemical equilibria. With this background as a basis for comparison, the problems in reduction of iron ores in rotary kilns using solid fuel reductants, in shaft furnaces using gaseous reductants and in fluid-bed reactors are analyzed. This analysis shows that rotary kilns present the most problems and fluid-bed reactors the least.

Résumé

Dans cet article on examine les problèmes que comportent les procédés de réduction de minerai de fer à l'etat solide. Pour de tels procédés, la réduction se fait, en général, entre 700 et 1100°C. Les vitesses de réaction sont lentes à de telles températures, en comparaison avec le haut-fourneau où la température est beau coup plus elevee; de ce fait, la cinétique de la réduction du minerai de fer revêt une grande importance.

On décrit les méchanismes de la réduction généralement acceptés, les étapes limitant la vitesse de réaction et les équilibres chimiques, on examine les problèmes que comportent la réduction de minerais de fer en four rotatif avec agents reducteurs solides, en fours verticaux avec gaz réducteurs et en réacteurs à lits fluidisés. De cela on conclut que ce sont les fours rotatifs qui présentent le plus de problèmes et les réacteurs à lits fluidisés qui en présentent le moins.     

Fundamental studies related to the development of the smelting reduction of iron oxide and carbon-constant volume studies

Abstract

Today, most of the iron-making capacity of the world is still dependent upon the blast furnace process, although the production of sponge iron by direct reduction processes is gaining acceptance in many areas. Another method of making iron, known as smelting reduction, is receiving attention, and pilot-plant scale operations are being developed in Europe and possibly elsewhere. In this method, iron oxide is reduced with carbon (coal) by a fast reaction such that liquid iron is the product, heat being provided to the reaction by the exothermic oxidation of carbon monoxide by oxygen within the reaction vessel.

In the present investigation, an attempt has been made to study the behaviour of composite pellets of wüstite and carbon in the region of 1500°C in various gas atmospheres at constant volume. Reaction rates were followed within the constant-volume system by measuring the increase in pressure with time using a pressure transducer. Composite pellets containing slightly more than the stoichiometrically required amount of carbon were reacted to form liquid iron in an argon atmosphere; to achieve melting, good mixing of the pellets was a critical requirement. Melting conditions were also obtained in carbon monoxide-carbon dioxide mixtures between 100 per cent CO and 100 per cent CO₂ When composite pellets, surrounded by a protective layer of carbon, were introduced into an atmosphere containing free oxygen, it was again possible to obtain melting and reduction to liquid iron. The activation energy for the reaction was approximately 15 kcal/mole. Possible reaction mechanisms are discussed.

Résumé

De nos jours, la réduction des oxydes de fer s'accomplit en grande partie au haut foumeau. On note toutefois une implantation graduelle des procédés de réduction directe des oxydes en fer éponge. Une autre méthode de production du fer, connue sous Ie nom de smeltage réducteur, est actuellement à l'étude. Des essais à l'échelle de l'usine pilote se font actuellement en Europe et possiblement ailleurs. La méthode consiste à produire du fer liquide en réduisant rapidement l'oxyde de fer par du carbone. L'énergie requise pour la réaction vient de l'oxydation exothermique du monoxyde de carbone par l'oxygène présént dans l'enceinte réactionnelle.

Les auteurs ont étudié le comportement de boulet1es composées de wüstite et de carbone en présence de diverses atmosphères gazeuses dans une enceinte fermée à 1,500°C. Les vitesses de réaction ont été détérminées en mesurant l'augmentation de la pression dans l'enceinte au moyen d'un transducteur de pression. Des boule1tes composées comportant un peu plus que la quantité stoechiométrique de carbone ont été réduites en fer liquide dans une atmosphère d'argon. La fusion n'avait lieu que si les constituants des boulet1es étaient intimement mélangés. La fusion de boulet1es a été réalisée dans des atmosphères constituées de melanges CO-CO₂, les proportions variant entre 100% CO et 100% CO₂. Le fer liquide a aussi été obtenu en faisant réagir des boulettes d'oxyde et de carbone entourées d'une couche protectrice de carbone, dans une atmosphère contenant de l'oxygène libre. L' énergie d'activation de la réaction était d'environ 15 kcal/mole. En fin, les auteurs discutent des mécanismes de la réaction.     

Mechanical properties and structure of as-received,heat-treated and hydrided Zr-1.5 wt% Cr-0.1 wt% Fe alloy tubing

Abstract

The mechanical properties or both unhydrided and hydrided Zr-Cr-Fe alloy tubing have been evaluated using ring tensile, tube burst and Charpy impact tests over a range of temperatures from room up to 400°C. Aspects of the recovery and recrystallization or two batches or tubing were studied. Stress relieving cold-worked tubing between 450° and 575°C gave stronger, less ductile material compared with recrystallized tubing but the actual tensile values depended critically on the stress-relieving temperature. Beta quenching and ageing thin-walled tubing resulted in poor ductility, variabk strength and structure with some massive grain coarsening. The tensile duct iii ty or Zr-Cr-Fe tubing was lowered by circumferentially aligned hydride although the drop was not serious at least up to 400 ppm hydrogen. Hydride had little effect on tensik stength up to 300 ppm hydrogen but there was an increase in strength at higher hydrogcn levels.

Résumé

Les propriétés mécaniques du Zr-Cr- Fe, hydruré ct non-hydruré, ont été évaluées en utilisant des essais de traction sur anneaux, d'eclatement de tubes et l'essai Charpy dans une gamme de température variant de l'ambiante a 400°C. Des aspects de la restauration ct la recristallisation de deux séries de tubes ont été étudiés. Un recuit entre 450° et 575°C pour éliminer les contraintes résiduelles a donné un matériau plus résistant et moins ductile en comparaison aux tubes recristallisés, mais les valeurs obtenues en traction dépendaient fortement de la température de ce recuit. Dans les tubes à paroi mince, une trempe de la phase β (suivie d'un vieillissement a diminué la ductilité et donné une résistance mécanique variable et une structure contenant des régions à trés gros grains. Des hydrures alignés circumférentiellement ont réduit la ductilité en traction des tubes de Zr-Cr-Fe, mais cette réduction était mineure, du moins jusqu'à 400 ppm d'hydrogène. Jusqu'è 300 ppm d'hydrogène, les hydrures ont peu intluencé la résistance en traction, mais ont causé une augmentation de la résistance mécanique à des teneurs plus élevées.     

The kinetics of the reactions between silica and alumino-silicate refractories and carbon-saturated iron

Abstract

The rates of attack of silica and alumino-silicate refractories in iron-carbon melts were measured. An immersion technique with cylindrical specimens was used under both static and dynamic conditions. The rates of reaction were measured both by specimen weight-loss and by chemical analysis of the melt. Experiments were carried out at 1400, 1500 and 1600°C under an inert atmosphere. The rates were found to be independent of rotation speed up to 400 rpm and for concentrations of carbon (>2.3%) and silicon (<1.0%) in the melt. The results are interpreted in terms of chemical reaction control at the refractory/metal interface and the dissociation of silica is proposed as the controlling step.

Résumé

On a mesuré les vitesses d'attaque des réfractaires de silice et alumino-silicates dans des bains fer-carbone par une technique d'immersion, avec des échantillons cylindriques, dans des conditions statiques et dynamiques. Les vitesses de réaction ont été mesurées à partir de la perte de poids des échantillons et par analyse chimique du bain. Les expériences ont été faites à 1400, 1500 et 1600°C sous atmosphère inerte. Les vitesses se sont averées etre indépendantes de la vitesse de rotation jusqu'à 400 rpm pour des concentrations de carbone (72.3%) et silicium (< 1.0%) dans le bain. Les résultats ont été interprétes en termes de contrôle de la réaction chimique à l'interface réfractaire-métal et on propose que la dissociation de la silice est le facteur contrôlant.     

Preparation of anorthite ceramic using mining tailings and calcium fluoride sludge

Abstract

To solve the disposal problems of mining tailings and calcium fluoride sludge (CFS), waste serpentine tailings (WSTs), waste kaolin tailings (WKTs), and CFS were tested as components for a ceramic product to be used as a building material. The ceramic properties were analyzed by thermal analyses, X-ray diffraction (XRD), morphological structure analyses, Raman spectra, compressive strength measurement, and toxicity characteristic leaching procedure (TCLP). Thermal analyses showed that the significant weight loss of the sample at 1000°C was the release of H₂O and CO₂ rather than HF. X-ray diffraction verified that the main crystalline phase of the ceramic was anorthite. Raman spectra indicated that fluorine in CFS substituted for oxygen to form the structure of SiO_xF_4?x tetrahedra. Toxicity characteristic leaching procedure and corrosion resistance tests indicated that fluorine solidified into anorthite phase did not release into solution. Therefore, converting WST, WKT, and CFS into a ceramic product is in accordance with the concept of sustainable development.

Pour résoudre les problèmes d'élimination des résidus miniers et des boues de fluorure de calcium (CFS), les déchetsrésidus de serpentine (WSTs), les résidus de kaolin déchets (WKTs), et du CFS ont été testés en tant que composants pourun produit céramique pouvant être utilisé comme matériau de construction. Les propriétés céramiques ont été analysées paranalyses thermiques, diffraction des rayons X (XRD), analyses de la structure morphologique, les spectres Raman, mesure de la résistance à la compression, et par lessivage des caractéristiques toxiques (TCLP). Les analyses thermiques ont montré que la perte de poids significative de l'échantillon à 1000°C a été la libérationde H₂O et CO₂ plutôt que de HF. La diffraction des rayons X a vérifié que la phase cristalline principale de lacéramique était anorthite. Les spectres Raman ont indiqué que le fluor contenu dans le CFS a remplacé l'oxygène pourformer la structure de SiO_xF_4-x tétraèdres. Lessivage des caractéristiques toxiques et lestests de résistance à la corrosion ont indiqué que le fluor solidifié en phase anorthite ne s'est pas transformé dans lasolution. Par conséquent, la conversion de WST, WKT, et CSF en un produit céramique est en conformité avecle concept de développement durable.