Modeling of Casting Solidification Stochastic or Deterministic?

Abstract

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

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

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

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

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

Résumé

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

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

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

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

A 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.     

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).     

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.     

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.     

Equilibrium phase relationships during solidification of Fe-O-C-X alloys

Abstract

Analysis of the solidification process of alloys requires that the phase relationships at equilibrium be known. The problem is complex and difficult for commercial ferrous alloys because of the presence of iron, carbon, oxygen, a deoxidizer, manganese, sulphur, etc. This study develops the phase relationships in the iron-rich corner of four component systems and covers the Fe-O-C-Si and Fe-O-C-Al systems specifically. The equilibrium state is treated at 1 atm pressure. The effects of suppression of formation of CO and of segregation of elements between liquid and solid iron are then analyzed.

Résumé

L'analyse du procédé de solidification des alliages requiert que la relation des phases à l'equilibre soit connue. Le problème est complexe et difficile pour les alliages ferreux commerciaux à cause de la présence de fer, de carbone, d'oxygene, d'un désoxydant, de manganèse, de soufre, etc. L'étude présente développe la relation des phases dans la région riche en fer d'un système à quatre composants, en particulier les systèmes Fe-O-C-Si et Fe-O-C-Al. L'équilibre est traité à 1 atm. de pression. Les effets de la suppression de formation de CO et de ségrégation d'éléments entre le fer liquide et solide sont ensuite analysés.     

Experimental problems in measuring the thermal conductivity of liquid oxide

Abstract

Conventional methods for measuring thermal conductivity are not applicable for liquid oxides containing high concentrations of iron in the range of 1200 to 1600°C. The principal problem is attack of container materials, measuring probes, etc. by the liquid. To avoid this problem, an experimental method was sought which permitted measurements for short times on very small specimens. In the method chosen, the temperature of one side of the specimen is made to oscillate at a selected frequency and amplitude. The oscillation passes through the specimen with decreasing amplitude and a phase shift, the phase shift being dependent on the frequency of oscillation, thickness, and thermal diffusivity of the specimen. With appropriate conditions for the experiment, the phase shift is simple to measure and record.

The experimental method and apparatus are discussed. Difficulties with the choice of materials and details of the experimental design are outlined. Complications arising from radiative transport and the limitations placed on the apparatus to avoid interference from the effect are described. Some results of the measurement are discussed briefly.

Résumé

Les méthodes conventionnelles de mesure de la conductibilité thermique ne sont pas applicables aux oxides liquids contenant une forte concentration de fer, entre 1200 et 1600°C. Le principal problème est une attaque par le liquide du contenant, dessondes, etc. Pour pallier cette difficulté, nous avons développé une methode permettant d'effectuer des measures pendant des tempstrés courts et sur de tout petits échantillons. Pour la méthode utilisée, la température de l'une des faces de l'échantillon oscille à une fréquence et une amplitude choisies; cette oscillation traverse l'échantillon ce qui entraïne une diminution de l'amplitude et un décalage de phase, décalage fonction de la fréquence utilisée, de l'épaisseur de l' échantillon et de son coefficient de diffusion thermique. Le décalage de phase se mesure facilement et est enregistré dans des conditions expérimentales correctes.

Dans cet article nous décrivons la méthode expérimentale et l'appareillage utilisés, ainsi que les difficultés rencontrées pour le choix des matéiaux et la mise au point du montage. Il est fait part en outre des complications survenues à cause du transfert par radiation et des limites imposées au montage pour les éviter. Brièvement, nous discutons de quelques résultats obtenus.     

Deformation Twinning in Iron Alloys Containing Dispersed Particles

Abstract

Acoustic emission has been used to detect the onset of twinning in iron polycrystals containing dispersions of second phase particles. A new explanation of the grain size dependence of the twinning stress is offered based on the grain size dependence of the twinning intensity. The grain size dependence of the initial twinning stress and the 0.2 % offset stress are similar; however, at larger grain sizes the rate of twin formation is higher which leads to anomalously large values for the grain size dependence of the macroscopic twinning stress.

Twinning appears to occur due to the attainment of a large local stress concentration and thus the twinning stress is independent of the dispersion of second phase particles although the density of twins may differ in single phase and two phase materials and large second phase particles may result in twin fragmentation. The results indicate major differences between the influence of second phase particles and deformation by slip and twinning.

Résumé

On a utilisé l'émission acoustique pour détecter le début du mâclage dans des polycristaux de fer contenant une seconde phase sous la forme de particules dispersées. On propose une nouvelle explication de la relation entre la contrainte de mâclage et la taille de grain, explication fondée sur la relation entre la taille de grain et l'intensité du mâclage. La contrainte initiale de mâclage et la contrainte à 0.2 % d'allongement ont, avec la taille de grain, des relations similaires. Cependant, pour des tailles de grain élevées, le taux de formation des mâcles est plus élevé et ceci conduit à des valeurs anormalement élevée pour la relation entre la taille de grain et la contrainte macroscopique de màclage.

Il semble que l'apparition du mâdage est due à l'existence de grandes concentrations de contraintes locales et que la contrainte de mâclage est indépendante de la dispersion des particules d'une seconde phase quoique la densité des mâcles peut être différente dans des matériaux à une phase ou deux phases et que les grandes particules d'une seconde phase peuvent causer la fragmentation des mâcles. Les résultats indiquent qu'il existe des différences majeures entre l'influence de particules d'une seconde phase et la déformation par mâclage et glissement.     

The annealing of bainite while being concurrently deformed

Abstract

Annealing with oncurrent deformation has been carried out on a bainitic high-carbon steel in a temperature range just below the lower transformation temperature, i.e. ～850 – 975K.

The enhancement of carbide coarsening was measured during hot torsion under conditions of (a) constant strain rate and (b) constant experiment duration. The carbide coarsening rates are compared with results obtained from earlier experiments employing isothermal annealing without deformation, and the enhancement of coarsening due to concurrent deformation is quantitatively assessed from measurements of the mean particle radius and mean free ferrite path.

From kinetic data, the rate limiting step in coarsening during concurrent deformation is identified as the self-diffusion of iron and two dominant mechanisms are proposed which result in a discontinuity of coarsening rate at critical strain levels. The effective diffusion coefficient for coarsening is shown to be a linear function of strain rate and the strain rate coefficient is evaluated from the present data for bainitic 1070 steel.

Résumé

Un traitement de revenu associé à une déformation simultanée a été appliqué à un acier bainitique à haut carbone dans une gamme de températures juste inférieures à la température de transformation (850–975K).

L'accélération de la coalescence des carbures pendant la torsion à chaud a été mesurée soit àvitesse de déformation constante, soit à temps d'expérience constant.

Les lois de coalescence des carbures sont comparées àcelles obtenues au cours d'un traitement isotherme sans déformation et l'accélération de la croissance due àune déformation simultanée est évaluée quantitativement grâce aux mesures du rayon moyen des particules et de la longueur moyenne de ferrite libre.

A partir des résultats de cinétique, le facteur limitant la coalescence sous déformation est identifie comme étant l'auto-diffusion du fer et les auteurs proposent deux mécanismes prédominants qui conduisent à une discontinuité de la vitesse de coalescence pour des niveaux critiques de la déformation. Le coefficient effectif de diffusion pour la coalescence est une fonction linéaire de la vitesse de déformation et le coefficient de vitesse de déformation est évalué à partir de ces résultats expérimentaux pour un acier bainitique 1070.     

Texture and anisotropy of zirconium in relation to plastic deformation

Abstract

Possible modes of plastic deformation of tubular materials are analyzed generally. Based on symmetry considerations applied to known textures of zirconium wire and strip, textures of zirconium tubes are predicted as resulting from a wide range of deformation modes. This is made possible by focusing on the main feature of texture, Le., the orientation distribution of basal poles. A relation between texture and the mechanical anisotropy of zirconium is developed, and rules are suggested for softening and hardening caused by texture change. Experimentally, Zircaloy tubes were deformed by various techniques. The resulting textures were determined by X-ray diffraction and the mechanical anisotropy by Knoop-hardness measurement. Each determination is condensed into two representative figures, one describing the type of texture or anisotropy and the other describing the sharpness of texture or the degree of deviation from isotropy.

The experiments verify the predicted relation between type of texture and mechanical anisotropy, and also indicate how degree of anisotropy depends on sharpness of texture. Changes in texture are investigated in relation to plastic deformation, and further refined rules are derived for the direction and rate of these changes. The initially predicted textures are concluded to be stable, i.e., they are reached only after a certain degree of deformation. Zircaloy tubes of three different textures were subjected to tensile testing, closed-end burst testing and open-end burst testing. The observed texture-softening phenomenon corroborates the rules suggested and is considered to commonly occur, as opposed to texture hardening, which requires special combinations of texture and testing method.

Résumé

Les différents modes de déformation plastique possibles dans les tubes ont été analysés d'une façon générale. En se basant sur des considérations de symétrie appliquées aux textures connues pour le zirconium en fil et en bandes, la texture des tubes de zirconium resultant de divers modes de déformation a été prédite. Ceci est possible si l'on tient surtout compte des principes de la texture, c'est à dire, la distribution des orientations des poles de base. Une relation entre la texture et l'anisotropie du zirconium est développée, et des règles sont suggérées pour l'adoucissement et la consolidation dûs à un changement de texture. Dans les expériences, les tubes de zirconium ont été déformés par plusieurs modes. Les textures résultantes ont été déterminées par la diffraction des rayons-X. et l'anisotropie par des mesures de dureté Knoop. Chacune de ces déterminations est représentée dans deux figures, l'une décrivant le genre de texture ou anisotropie, l'autre décrivant la netteté de la texture ou l'écart du caractère isotrope. Les expériences vérifient la relation prévue entre la texture et l'anisotropie. Les changements de texture sont examinés en fonction de la déformation plastique, et d'autres règles plus rigoureuses sont dérivées pour la direction et la vitesse de ces changements. On conc1ut que les textures prévues initialement sont stables, c'est à dire qu'elles ont lieu apres une certaine déformation. Des tubes de Zircalloy de trois textures différentes ont été soumis à des essais detraction, des essais d'éc1atement à extrémités ouvertes ou fermées.

Le phénomène d'adoucissement observé, causé par la texture, est en accord avec les règles suggérées et est généralement présent, ce qui n'est pas le cas du durcissement causé par la texture, durcissement nécessitant des combinaisons spéciales de texture et de méthodes d'essai.     

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

Abstract

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

Résumé

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

LIX-65N and Dowfax 2AO interaction in copper solvent extraction and electrolysis

Abstract

The acid mist generated during copper electrowinning can be effectively suppressed by a froth covering the electrolyte surface stabilized by the addition of the sulphonic acid, Dowfax 2AO. If the spent electrolyte is then used to strip copper from the loaded solvent extraction reagent LIX65N, these two organics and any degradation products will be mixed. In order to determine whether these organics are compatible, a small-scale continuous solvent extraction/electrowinning system was therefore studied for an extended period.

Successive passes of organic around the circuit resulted in decomposition of the LPX65N such that its ability to extract copper was greatly reduced. After seven hundred organic phases, the phase separation in both the loading and stripping stages seriously deteriorated and even with the addition of impractical amounts of Dowfax 2AO it was impossible to maintain the froth over the electrowinning cell. Thus, it is clear that Dowfax 2AO cannot be allowed to contaminate a copper solvent extraction system which employs LIX65N. It has also been proved that two other organic acids, dinonylnaphthalene sulphonic acid and di(2-ethylhexyl)phosphoric acid, also cause decomposition of LIX65N.

Résumé

La bruine d'acide se dégageant à la surface de la solution pendant l' électrolyse du cuivre peut être éliminé par une mousse stabilisée par l'acide sulfonique, Dowfax 2AO.

Si, à la suite, l' électrolyte epuise sert a extraire le cuivre d'une solution de LIX-65N, les deux composés organiques et leurs produits de décomposition sont mélangés. Afin de déterminer la compatibilité de ces substances, on a étudié à échelle réduite, en système continu pendant une longue période, la combinaison extraction par solvant-électrodéposition du cuivre.

Les retours répétés du milieu organique dans le circuit aboutissent à une décomposition du LIX-65N à tel point que sa capacité d'extraire est fortement réduite. Aussi après sept cents contacts avec le milieu organique, les separations des phases à l'extraction et au dégarnissage sont rendues très difficiles. De plus, il est impossible d'obtenir une mousse à la surface de l' électrolyte même en employant des quantités exagérées de Dowfax 2AO. Il faut conclure que ce dernier ne doit pas être employé dans un circuit d'extraction du cuivre par le LIX-65N.

Les mêmes phenomenes de décomposition sont constatés avec deux autres acides organiques: l'acide dinonyle-naphtholène sulfonique et l'acide di(2-ethylhexyl) phosphorique.     

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

Abstract

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

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

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.     

The homogenization heat treatment of aluminum-manganese ingot

Abstract

The distribution of alloying elements in commercial grade Al-Mn ingot was studied using electron probe microanalysis, and the effect of homogenization heat treatment was followed for periods up to 5 days.

In the as-cast material, nearly all the Mn was present in solid solution; heat treatment at 625°C caused the precipitation of most of the Mn within 2 hours, suggesting that industrial heat treatment time could be reduced to similar low values. Recrystallization experiments confirmed that short homogenization times produced the desired objectives of a fine grain size and a reduction in the recrystallization temperature of the final hot- and cold-rolled material.

Résumé

Les auteurs ont étudié la distribution des constituants d'un lingot d'aluminum-manganèse de pureté commerciale au moyen d'une microsonde et en examinant les effets de traitements d'homogénéisation pour des temps atteignant 5 jours.

Dans le lingot brut de coulée, la presque totalité du manganèse est sous forme de solution solide. Cependant en moins de 2 heures a 625°C, il est presque entièrement precipite. Ce fait suggère une réduction du temps des traitements thermiques industriels. Des expériences de recristallisation ont confirmé le fait que de courts maintiens d'homogénéisation permettent d'atteindre les buts fixés: grains fins et diminution de la température de recristallisation des produits laminés à chaud et à froid.     

The Effect of Oxide Grain Structure on the High-Temperature Oxidation of Fe,Ni and Cr

Abstract

Investigations have shown that the oxidation rate of metals and alloys is strongly influenced by the oxide grain size. This paper summarizes some of our data on the oxidation of Fe, Ni, Cr, and some alloys and relates the observed oxide grain structures to the oxidation kinetics and transport processes. Fine-grained polycrystalline oxide thickens most rapidly because the many oxide grain boundaries act as preferential paths for rapid diffusion. In contrast, monocrystalline oxide such as forms on some orientations of Ni and Cr thickens very slowly and shows the highest activation energy. Oxide grain size is found to depend on such factors as metal orientation, chemical pretreatment of the surface, cold work, and oxidation procedure.

Résumé

Plusieurs programmes de recherche ont montré que le taux d'oxydation des métaux et alliages dépend de la grosseur des grains des oxydes produits. Cet article présente certains des résultats obtenus en oxydant du Ni, du Cr et certains alliages; un rapport entre la structure des grains d'oxydes produits, d'une part, et d'autre part, la cinétique d'oxydation et les processus de transport présents, a été etabli. Les oxides polycristallins é grain serré facilitent l'oxydation, car leurs nombreux joints de grains offrent une route préférentielle à la diffusion rapide de l'oxygéne. Par contre, selon certaines orientations de Ni et de Cr, l'oxide monocristallin formé s'épaissit très lentement et présente les énergies d'activation les plus élevées. La grosseur des grains d'oxydes dépend de certains facteurs tels que l'orientation du metal oxyde, le prétraitement chimique de la surface, le travail à froid et la procédure d'oxydation.     

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.     

Autoclave treatment of pyrrhotite for sulphur recovery

Abstract

Oxidation of nickeliferous pyrhotite to Fe₂O₃ and elemental sulphur using 100 psi air as oxidant was investigated on laboratory and pilot plant scale. Because of the poor liquid-solid separation properties of product slurries, attention was, directed to preventing solubilization of nickel by maintaining high concentrations of pyrrhotite in the reacting bath. Operation of a 2 ton per day pilot circuit embodying recycling of magnetically separated un-reacted pyrrhotite from autoclave product slurry indicated that 65% of the nickel was recoverable in a flotation concentrate containing .elemental sulphur amounting to 60% of the sulphur in the pyrrhotite.

Résumé

L'oxydation d'une pyrrhotite nickel-fer en Fe₂O₃ et en soufre élémentaire par de l'acier sous une pression de 100 Ibs/po² a été étudiée en laboratoire et en usine pilote. A cause de la mauvaise séparation du solide des boues, une attention particulière a été portée pour prévenir la solubilisation du nickel en maintenant les concentrations de pyrrhotite élevées dans le bain de réaction. Une opération à 2 tonnes par jour à l'échelle pilote, tout en réalisant une recirculation de la pyrrhotite intacte (séparée magnétiquement des boues de l'autoc1ave) indiquait que 65% du nickel était récupérable en un concentré de flottation contenant 60% de soufre élémentaire par rapport à celui du produit de départ.     

The Petch relation and grain boundary hardening

Abstract

The effect of the grain size and solute content on the microhardness of iron-tin alloys has been investigated. It was found that the values of the Petch slope as derived from the hardness dependence on grain size, shows an unusual dependence on tin content. A good correlation between the Petch slope and grain boundary hardening was observed; both increased with tin additions. The results are rationalized in terms of Li's model of dislocation generation from grain boundary ledges and also Hart's grain boundary phase transformation model.

Résumé

L'auteur a étudié les effets de la taille du grain et de la concentration en soluté sur la microdureté d'alliages fer-étain. Les valeurs de la pente de Petch, telles que déduites de l'influence de la taille du grain sur la dureté, révèlent une variation inhabituelle en fonction de la concentration en étain. Une corrélation acceptable entre la pente de Petch et le durcissement des joints de grains est observée, les deux augmentant avec l'addition d'étain. Ces résultats sont interprétés selon le modèle de Li, qui suppose l'émission de dislocations à partir des marches des joints de grains, et aussi selon le modèle de Hart, qui fait appel à une transformation de phase du joint de grain.     

Ductile Iron: Fifty Years of Continuous Development

Abstract

The discovery of Ductile Iron in 1948 gave a new lease on life to the cast iron family. By combining the castability of gray iron and the toughness of steel, Ductile Iron compelled a wide recognition as an economical choice for high performance complex ferrous parts. Fifty years of research and development J.t have led to a material whose properties can be tailored for applications requiring high toughness, corrosion resistance or high tensile strength. In this paper, the state-of-the-art of Ductile Iron technology is reviewed. It is shown that, although considered as a mature technology, recent process and product developments open new avenues to this family of materials.

Résumé

La découverte de la fonte G.S. en 1948 a assuré un second souffle à la grande famille des fontes. Combinanté la coulabilite de la fonte grise et la résistance de l'acier, la fonte G.S. est rapidement devenue un choix incontournable pour la production de composantes de forme complexe exigeant des propriétés mécaniques élevées, et ce à un coût compétitif. Cinquante années de recherche et de développement technologique ont conduit à la creation d'une famille de materiaux pouvant satisfaire des besoins aussi diversifies que la resistance a l'impact, a la corrosion ou a l'usure. Dans cet article, la technologie de la fonte G.S. est revue et discutee. Il y est démontré qu'en dépit du fait que la fonte G.S. est souvent considérée comme un matériau mature, de récents développements ouvrent de nouveaux champs d'applications a la fonte G.S.