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.     

Reduction of Ilmenite Concentrates By Methane Containing Gas,Part II: Effects of Preoxidation and Sintering

Abstract

Reduction of preoxidized and sintered ilmenite concentrates by a CH₄-H₂-Ar gas mixture was investigated in a laboratory fixed bed reactor in temperature programmed experiments. The ilmenite concentrates contained different concentrations of TiO2 (55.6-71.5wt%) and iron oxide (Fe_total 14.5-28.2wt%).

In the reduction of ilmenite by hydrogen, during ramping reduction temperature from 230 to 1100 °C, only iron oxides were reduced to metallic iron and the reduction was not complete. The reduction of titania was slight. The ilmenite concentrates were reduced by CH₄-H₂-Ar gas mixture to metallic iron and titanium oxycarbide. Preoxidation and sintering of ilmenite concentrates changed their phase composition and caused a sharp decrease in specific surface area of raw materials and an increase in carburization temperature. Sintering also increased the metallization temperature of iron.

On a étudié, dans un reacteur de laboratoire à lit fixe, lors d'experiences à températures programmées, la réduction de concentrés d'ilménites pre-oxydes et frittes par un melange de gaz de CH4-H2-Ar. Les concentres d'ilmenites contenaient differentes concentrations de TiO2 (55.6-71.5% en poids) et d'oxyde de fer (Fetotal 14.5-28.2% en poids).

Au cours de la réduction de l'ilménite par l'hydrogene, lors de l'augmentation de temperature de réduction de 230 à 1100 °C, seuls les oxydes de fer etaient réduits en fer métallique et, de plus, la réduction n'était pas compléte. La réduction du dioxyde de titane était faible. Les concentrés d'ilménites ont été réduits par le mélange de gaz CH₄-H₂-Ar en fer métallique et en oxycarbure de titane. La préoxydation et le frittage des concentrés d'ilménite ont change leur composition de phase et ont causé une diminution marquée de la surface specifique des matériaux bruts ainsi qu'une augmentation de la température de cémentation. Le frittage a également augmenté la température de métallisation du fer.     

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.     

Kinetics of the Lime Enhanced Reduction of Cu2S With Carbon

Abstract

The rate of reduction of Cu₂S with carbon in the presence of lime was investigated in the temperature range of 900 to 1050 °C by means of thermogravimetric analysis.

The composition of the gas phase evolving during the reduction of Cu₂S was determined. The effects of temperature, the amount of carbon and the amount of CaO on the reduction rate were also determined. The results indicate that reduction of Cu₂S to Cu proceeded through the gaseous intermediates of CO and CO₂. The controlling step of the overall kinetics was the oxidation of carbon by CO₂. Temperature had the largest influence on the reduction rate. An energy of activation of 363 kJ/mol was calculated for the reduction of Cu₂S with carbon in the presence of CaO within the temperature range of 900 to 1050 °C.

On a étudié le taux de réduction du Cu₂S par le carbone, en présence de chaux, dans la gamme de température allant de 900 à 1050 °C, au moyen d'analyse thermogravimétrique.

On a déterminé la composition de la phase gazeuse dégagée lors de la réduction du Cu₂S. On a également déterminé l'effet de la température et de la quantité de carbone et de CaO sur le taux de réduction. Les résultats indiquent que la réduction du Cu₂S en Cu passait par les intermédiaires gazeux CO et CO₂. L'étape de contrôle de la cinétique était l'oxydation du carbone par le CO₂. La température avait la plus grande influence sur le taux de réduction. On a calculé une énergie d'activation de 363 kJ/mole pour la réduction du Cu₂S par le carbone, en présence de CaO, dans la gamme de température de 900 à 1050 °C.     

Dynamic recovery of aluminum during hot rolling

Abstract

Superpurity aluminum was rolled at 235 and 315°C to 90 per cent reduction in a single pass. The changes in microstructure arising from the deformation were examined by polarized-light and transmission-electron microscopy. The original grains were elongated in the direction of rolling and contained an equiaxed polygonized substructure. The subgrains were larger and more perfect at the higher rolling temperature. The extent of dynamic recovery is compared with that of commercial-purity aluminum and with that of other face-centred cubic metals.

Résumé

Un taux de réduction de 90% par laminage en une seule opération a été effectué sur de l'aluminium à 99.99% de pureté à 235 et à 315°C. Les modifications de la structure dues à cette déformation ont été éxaminées en lumière polarisée et par microscopie électronique en transmission. Les grains originaux sont allongés dans le sens de la déformation et présentent une sous-structure polygonalisée équiaxiale. Des sous-grains plus réguliers et plus gros ont été obtenus à la température la plus élevée. L'importance de la restauration dynamique est comparée avec celle de l'aluminium de pureté commerciale et avec celie d'autres métaux cubiques à faces centrées.     

Solid structural changes during the reduction of iron oxides

Abstract

The changes in the solid structure, i.e., grain size, shape and pore structure, during the reduction. of reagent-grade hematite to iron by CO?CO₂ mixtures at temperatures between 725 and 925°C were investigated. The reduction of hematite to wustite was found to produce little structural change. In contrast, three mechanisms of structural change occurred during the reduction of wustite to iron. These included the thermal sintering of the wustite, the growth of fibrous iron filaments from the partially reduced wustite grains, and the sintering or “coarsening” of the reduced iron. A quantitative model for the sintering of the wustite is described.

The effects of the structural changes on the reduction kinetics are reviewed. The sintering of the wustite reduced the over-all rate of reduction; the growth of the fibrous iron increased the rate of reduction. The sintering of the iron had little effect on the kinetics. The interaction between the sintering of the wustite and the growth of the fibrous irons, which change the character of the reduction from nontopochemical to topochemical, is also discussed.

Résumé

Les variations de la structure solide, i.e., la grosseur du grain, la forme et la porosité,ont été étudiées au moment de la réduction d'hématite en fer, dans des mélanges de CO?CO₂ aux températures comprises entre 725 et 925°C. La réduction de l'hématite à la wustite s'accompagne d'un léger changement de structure. Au contraire, trois mécanismes de changements structuraux se sont présentés au cours de la réduction de la wustite en fer. Ce sont: le frittage thermique de la wustite, la croissance des filaments fibreux de fer provenant des grains de wustite partiellement réduits et aussi le frittage du fer réduit. Un modéle quantitatif décrit Ie frittage de la wustite.

Les effets des variations structurales sur la cinétique de réduction sont revisés. Le frittage de la wustite a diminué le taux de réduction, alors que la croissancé du fer fibreux a augmente ce taux. Le frittage du fer a un effet minime sur la cinétique. L'interaction entre le frittage de la wustite et la croissance des fibres de fer fait varier Ie caractère de la réduction, de non-topochimique à topochimique.     

Kinetic investigations of two processes for zinc recovery from zinc plant residue

Abstract

This paper presents a kinetic study of hydrometallurgical and pyrometallurgical processes employed for the recovery of zinc from a zinc plant residue (ZPR). The hydrometallurgical process investigated involved zinc leaching from the ZPR with sulphuric acid solution, while the pyrometallurgical process was based on zinc oxide reduction from the ZPR using activated carbon as the reducting agent. At the optimum leaching conditions, the zinc recovery was 89·5% at 95°C after 60?min. The data obtained for the leaching kinetics indicated that the dissolution of ZPR is a diffusion controlled process and the activation energy is equal to 21±2?kJ?mol^?1. The maximum zinc recovery, obtained during pyrometallurgical treatment was 72% at 1300°C after 60?min. Kinetic investigations revealed that the zinc oxide reduction is carried out in the transient kinetic area, where both diffusion and the chemical reaction control the overall process rate, with an activation energy of 38±5?kJ?mol^?1.

Cet article présente une étude cinétique d'un procédé hydrométallurgique et d'un procédé pyrométallurgique utilisés pour la récupération du zinc du résidu d'une usine de zinc (ZPR). Le procédé hydrométallurgique investigué impliquait la lixiviation du zinc du résidu de l'usine de zinc avec une solution d'acide sulfurique, alors que le procédé pyrométallurgique était basé sur la réduction de l'oxyde de zinc du résidu de l'usine de zinc en utilisant du charbon activé comme agent de réduction. Aux conditions optimales de lixiviation, la récupération du zinc était de 89·5% à 95°C après 60?min. Les données obtenues pour la cinétique de lixiviation ont indiqué que la dissolution du résidu de l'usine de zinc était un procédé contrôlé par la diffusion et l'énergie d'activation est égale à 21±2?kJ?mol^?1. La récupération maximale de zinc, obtenue lors du traitement pyrométallurgique, était de 72% à 1300°C après 60?min. Les investigations de la cinétique ont révélé que la réduction de l'oxyde de zinc était effectuée dans la zone de cinétique transitoire, où tant la diffusion que la réaction chimique contrôlent la vitesse globale du procédé, avec une activation d'énergie de 38±5?kJ?mol^?1.     

Scale Formation in a Batch Reactor Under Pressure Acid Leaching of a Limonitic Laterite

Abstract

The formation of scale under sulphuric acid pressure leaching conditions of a limonitic laterite ore was investigated. Experiments were conducted using a batch titanium autoclave in order to study the effects of acidity (0.15–0.40 M), and temperature (250–270°C) on scale formation. It was found that scale increases with acidity reaching a maximum at 0.22 M free sulphuric acid. Further increase of acidity causes reduction of scale, but scale is not affected by temperature. The scale mainly consists of hematite with traces of hydronium alunite as revealed by SEM photographs and EDX analyses. Anionic surfactants were tested as a means of scale reduction with some success. A reduction of 37% in scale formation was achieved at an acidity of 0.22 M and 270°C.

Résumé

On a étudié la formation d'incrustations d'un minerai de latérite limonitique, en conditions de lessivage so us pression avec acide sulfurique. On a fait les essais avec un autoclave discontinu en titane, afin d'étudier les effets de l'acidité (0.15–0.40 M) et de la température (250–270°C) sur la formation d'incrustations. On a trouvé que les incrustations augmentent avec l'acidité, atteignant un maximum à une concentration de 0.22 M d'acide sulfurique libre. Une augmentation additionnelle de l'acidité réduit les incrustations, mais celles-ci ne sont pas affectées par la température. Les incrustations consistent principalement en hematite avec traces d'alunite d'hydronium, tel que révélé par des photographies par microscope à balayage et par analyses EDX. On a évalué des surfactants anioniques comme moyen de réduction des incrustations, avec quelque succès. On a obtenu une réduction de 37% de formation d'incrustations a une acidite de 0.22 M et à 270°C.     

Thermal reduction of olivine by calcium carbide and by silicon in the presence of calcium oxide

Abstract

The vapour pressures over the reactants olivine - calcium-carbide and olivine - silicon - calcium oxide have been measured over the temperature ranges 1115 to 1190°C and 1045 to 1165°C, respectively. The equilibrium reactions do not involve olivine since this material readily decomposes in the presence of CaC₂ or CaO. In the calcium carbide reduction, the reaction mechanism depends on the ratio of olivine to calcium carbide in the charge. In the silicon reduction, the equilibrium-pressures are essentially the same as those for the corresponding reduction of dolomite. The possible role of an intermediate calcium-silicon alloy in the latter case is discussed.

Résumé

Les auteurs ont mesuré les tensions de vapeur au-dessus des réactifs olivine - carbure de calcium et olivine - silicium - oxyde de calcium à des intervalles de température de 1115 à 1190°C et de 1045 a 1165°C respectivement. Les réactions de'équilibre n'impliquent pas l'olivine car ce composé se décompose en présence du CaC₂ ou du CaO. Dans le cas de la réduction du carbure de calcium, les mécanismes de réaction dépendent de la proportion d'olivine et du carbure de calcium dans la charge. Pour la réduction du silicium, les pressions à l'equilibre sont essentiellement les mêmes que celles pour la réaction équivalente avec la dolomite. Le rôle possible d'un composé intermédiaire calcium - silicium dans le dernier cas est discuté.     

Utilization of direct reduced iron in an electric arc furnace

Abstract

A discussion of the essential characteristics of the materials needed for processing through a counter-current direct reduction furnace and usage in an electric arc furnace constitutes the rust part of this article. Some of the physical and chemical properties are reviewed and correlated with the performance of the Sidbec-Dosco reduction plant.

The impact of utilization of direct reduced iron on the Electric Arc furnace steelmaking practice is then evaluated, in terms of energy, consumption, productivity, electrode and refractories consumptions. Finally the characteristic of the steels produced for wire and flat rolled products using direct reduced iron is reviewed.

Résumé

La première partie de ce travail discute des caractéristiques essentielles des boulettes nécessaires à la réduction directe par un gaz à contrecourant, pour changement dans un four électrique. Certaines propriétés physiques et chimiques sont revues et permettent une corrélation avec les performances de l'usine de réduction de Sidbec-Dosco.

On évalue l'impact que peut avoir l'utilisation de fer directement réduit au four électrique à arc dans la pratique de l'acierage, ceci du point de vue de la consommation d' énergie, de la productivité et de la consommation d' électrodes et de réfractaires. On discute finalement des caractéristiques de l'acier produit pour fils et produits laminés à plat en utilisant le fer réduit directement.     

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.     

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.     

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.     

Kinetic Study of the Chlorination of Galena

Abstract

A study of the kinetics of chlorination of the mineral galena (PbS) was conducted using thermogravimetry (TG), supplemented by X-ray diffraction, optical microscopy of polished sections, and scanning electron microscopy. TG experiments were conducted both isothermally and non-isothermally in an assembly specially designed to handle corrosive atmospheres.

The results of the non-isothermal experiments indicated that, due to the highly exothermic nature of the reaction between galena and chlorine, parameters such as particle size, sample geometry, and heat transfer had a substantial influence on the reaction. The isothermal investigations were conducted from 250 to 400°C with an adequate heat sink in contact with the sample and under conditions chosen so that the rate of reaction was independent of gas flow rate. The results were examined on the basis of different kinetic models and were found to be consistent with the “shrinking core” model in which the reaction rate is controlled by diffusion through the PbCl₂ product layer. This model is supported by the relationship between the rate of chlorination and the particle size of the galena and by photomicrographs showing an increase in thickness of an adherent product layer as the degree of chlorination increased. The rate of reaction, at sufficiently high Cl₂ partial pressure, was independent of Cl₂ partial pressure. The activation energy was found to be 113 kJ/mol. A mechanism for the diffusion process is proposed.

Résumé

Une étude cinétique de la chloration du minéral de galéne (PbS) a été effectuée au moyen de la thermogravimétrie (TG), avec diffraction à rayons X, microscopie optique des sections polies et microscopie électronique à balayage comme méthodes supplémentaires. Des expériences thermogravimétriques ont été effectuées isothermiquement et non-isothermiquement dans un appareil destiné spécialement à des atmosphères corrosives.

Les résultats des expériences non-isothermiques ont démontré que puisque la reaction entre la galène et le chlore est très exothermique, des facteurs tels que la granulométrie, la disposition de l'echantillon et le transfert de chaleur avaient grandement influencé la réaction. Les investigations isothermiques ont été effectuées à des temperatures variant entre 250 et 400°C avec un récepteur de chaleur contigu à l'echantillon et à des conditions choisies afin que la vitesse de la réaction soit indépendante du débit de gaz. On a examiné les résultats par différents modèles cinétiques et on a trouve qu'ils étaient compatibles avec le modéle de “noyau rétrécissant” selon lequel la vitesse de réaction est contrô1ée par diffusion à travers une couche de produit PbCl₂. Ce modèle est appuyé par la relation entre la vitesse de chloration et la granulométrie de la galène et par des photomicrographies indiquant une augmentation de l'épaisseur d'une couche adherente du produit au noyau avec l'augmentation du degré de la chloration. A une pression partielle de Cl₂ suffisament élevée, la vitesse de la réaction était indépendante de la pression partielle de Cl₂. On a démontre qué l'energie d'activation était 113 kJ /mol. On propose un mécanisme de diffusion.     

Hydride orientation and tensile properties of Zr-2.5 wt% Nb pressure tubing hydrided while internally pressurized

Abstract

An investigation was carried out to determine the orientation and the effect on tensile properties of hydrides precipitated in heat-treated Zr-2.5 wt% Nb tubing during the corrosion hydriding of internally pressurized samples. It was found that as the stress during hydriding was increased the hydrides gradually assumed a characteristic radial orientation nearly perpendicular to the hoop stress. The observed radial hydride orientation was influenced by prior β grain size, residual quenching stresses, cold-work strains and stresses applied while the pressure tube was being hydrided. Hoop stresses in excess of 20,000 psi were required to produce complete radial orientation of the hydrides.

Transverse tensile tests on the hydrided tubes were conducted using a reduced section ring technique. These tests revealed a low ductility at low temperatures with a transition in the range 60°–100°C for material with radially oriented hydrides. Low tensile ductility was observed at significantly higher temperatures when a massive hydride layer was present near the surface of the test samples.

Résumé

Dans des tubes en Zr-2.5 % poids Nb trempé et vieilli et soumis à la corrosion hydrogenante sous pression, une étude a été entreprise pour déterminer l'orientation des hydrures précipités et leurs effets sur les propriétés mecaniques en traction. Les résultants indiquent que lorsque la contrainte augmente pendant léhydrogenation, les hydrures acquièrent graduellement une orientation radiale caractéristique, à peu prés perpendiculaire à la contrainte circonférentielle. Cette orientation radiale des hydrures est influencée par la taille du grain β initial, les contraintes de trempe résiduelles, les déformations à froid et les contraintes appliquées lorsque le tube sous pression est hydrogéné. Des contraintes circonférentielles supérieures à 20,000 psi sont nécessaires pour produire une orientation parfaitement radiale des hydrures.

Des essais de traction en travers des tubes hydrogénés ont été réalisés en utilisant la technique de l'anneau à section réduite. Ces essais ont révélé une faible ductilité à basses températures avec une transition dans le domaine 60°–100°C pour le matériau à hydrures orientés radialement. Une faible ductilité en traction a été observée à des températures beaucoup plus hautes quand une couche massive d'hydrures existait près de la surface des échantillons.     

Nugget formation and growth during resistance spot welding of aluminium alloy 5182

Abstract

Surface interaction at the worksheet/worksheet interface during resistance spot welding of aluminium alloy 5182 with spherical tip electrodes was investigated. Oxide layer cracking and nugget formation were focused. Both experimental work and finite element analysis were employed to explain the contact behaviour at this interface. It was found that sheet separation and thus bending occurred during the squeezing phase of the resistance spot welding process and suggested a profound influence on nugget formation. The sheet separation caused enlarged and aligned cracks in the surface oxide layers which led to a good metal‐to‐metal contact near the periphery of the faying surface. High current densities which occurred at the beginning of the current phase caused significant heat generation in this zone. Consequently, the melting at the faying surface started near the periphery and moved in towards the central zone of the contact region to produce a ‘doughnut shaped’ nugget with a filled‐in but thin central region.

On a étudié l'interaction de la surface à l'interface feuille de travail‐feuille de travail lors du soudage par points par résistance de l'alliage d'aluminium 5182 avec des électrodes à bout sphérique. On s'est concentré sur la fracture de la couche d'oxyde et sur la formation du noyau. On a utilisé tant le travail expérimental que l'analyse par éléments finis pour expliquer le comportement de contact à cette interface. On a trouvé que la séparation de la feuille, et donc le pliage, se produisait lors de la phase de compression du procédé de soudage par points par résistance, suggérant une influence profonde sur la formation du noyau. La séparation de la feuille résultait en fissures agrandies et alignées dans les couches d'oxyde de la surface, ce qui amenait un bon contact de métal à métal près de la périphérie de l'aire de contact. Des densités élevées de courant, qui se produisaient au début de la phase de courant, résultaient en un dégagement important de chaleur dans cette zone. Conséquemment, la fonte de l'aire de contact commençait près de la périphérie et se déplaçait vers la zone centrale de la région de contact, produisant un noyau en forme d'anneau avec une région centrale remplie, mais mince.     

Rate of Transfer of Manganese Across Metal-Slag Interface and Interfacial Phenomena

Abstract

The rate of oxidation of manganese in liquid iron by oxidizing slag and rate of reduction of manganese oxide in liquid slag by liquid iron were measured at 1873 K. At the same time the liquid iron-slag interface was observed by an X-ray TV and the shape of iron drops was photographed on a film to determine the interfacial tension. From the results of the rate measurements it was found that the reaction proceeded rapidly over the initial period in the case of oxidation, but not in the case of reduction. The rate of reaction was analysed on the assumption that the reaction was controlled by simultaneous transport of manganese and oxygen. The change of interfacial tension during a run was small in spite of the transfer of surface active oxygen.

Résumé

Les vitesses d'oxydation et de réduction du manganèse ont été mesurées à l'interface métal-scorie d'un bain de fonte liquide à 1873 K. Simultanément, l'interface fonte-scorie a été observée à l'aide d'une caméra de télévision R-X et les goutelettes de fonte photographiées afin de déterminer la tension interfaciale. A partir des résultats des vitesse de réaction, il s'est avéré que la réaction s'effectue rapidement lors de la période initiale d'oxydation, mais non lors de la réduction. La vitesse de la réaction a été analysée en supposant qu'elle était contrôlée par le transport simultané du manganèse et de l'oxygène. Le changement de tension interfaciale lors d'un essai étai faible malgré le transfert d'oxygène actif en surface.     

The sticking of iron ore during reduction by hydrogen in a fluidized bed

Abstract

Sticking of particles in the fluidized bed reduction of iron ore at temperatures above 600°C will occur whenever clean iron surfaces impinge. Some as-received ores are sufficiently dirty that iron-iron contact does not take place at low temperatures. However, as the temperature of reduction is raised, there is an increasing tendency for the iron nucleating on the surface of particles to grow into nodules which pierce the dirt film allowing iron-iron contact and hence sticking. Silica in the surface film stops iron nucleation near the surface of particles and thereby prevents iron nodule formation. Ores with silicacontaining coatings can be fully reduced in a fluidized bed at temperatures up to 840°C without sticking.

Résumé

Les particules de minerai de fer au cours de la réduction en lit fluidisé aux températures supérieures à 600°C ont tendance à s'agglomerer aussitôt que des surfaces de fer sont en contact. Quelques minerais utilisés comme tels sont suffisamment impurs pour que le contact fer sur fer ne se produise pas aux basses températures. Cependant, quand la température est élevée, la nucléation du fer a la surface des particules se prolonge par la formation des modules qui percent la couche d'impuretés et favorisent l'agglomération. La présence de silice dans la couche superficielle empêche la nucléation du fer au voisinage de la surface donc aussi la formation de modules de fer. Les minerais contenant de la silice peuvent être réduits complètement dans un lit fluidise a des températures allant jusqu'à 840°C sans s'agglomérer     

Application of fracture mechanics to high-temperature creep rupture

Abstract

This paper reviews the crack opening displacement approach to fracture testing of materials at ambient temperature and considers extension of the work to higher temperatures, as one phase of an approach aimed at bringing various cracking behaviours within the same over-all fracture mechanics treatment.

Testing procedure uses BS 15 mild steel as l-inch plate at 350°C, with loading times up to 1000 hours. A rectangular specimen about 18 × 6 inches is slit for three quarters of its length along the centre of width, and the notched region is immersed at high temperature. The split ends protruding from the furnace are strained apart, and a transducer is projected into the furnace to provide a continuous measurement of crack opening displacement. CaDs produced are in reasonable agreement with values predicted by the general yielding theory. Intergranular crack extensions occurred at CODs of 14 to 17 × 10^?3 inches, were of the ‘pop-in’ type.

One specimen was cooled to 0°C after test so that the crack could be extended by cleavage. The COD at initiation was 5 × 10^?3 inches, indicating that the material had been substantially embrittled by hot straining.

Résumé

Après avoir revu l'ouverture et le déplacement des fissures pour des essais de rupture à température ambiante, les auteurs considèrent l'élargissement de ces conclusions a haute température comme approche pour examiner divers comportements des fissures dans un mécanisme global de la rupture.

Pour les essais, une tôle d'un pouce d'épaisseur d'acier doux BS?15 a été utilisée a 350°C, le temps maximal de mise en charge étant de 1000 heures. L'éprouvette rectangulaire déenviron 18 po. × 6 po. est entaillée en son centre sur les trois quarts de sa longueur; la région entaillée est maintenue à haute température. Les extrémités fendues de la tôle sont écartées l'une de l'autre hors du four et un palpeur dans le four donne en continu la propagation de la fissure. La propagation des fissures est en bon accord avec les valeurs données par la théorie de l'écoulement. L'extension de fissure intergranulaire se produit pour des valeurs de la propagation des fissures de 14 à 17 × 10^?3 pouces et sont réentrantes. Une éprouvette fut refroidie à 0°C aprés l'essai de fa?on à pouvoir faire avancer la fissure par clivage. La propagation de la fis sure était de 5 × 10^?3 pouces indiquant une fragilisation du métal par deformation à chaud.     

Failure of Alloy Steels Used in Pyrolytic Applications

Abstract

The requirement to improve efficiency in pyrolytic furnaces has led to increased operating temperatures (>1000°C), shorter residence times and higher heat fluxes. The greater severity in operating conditions has increased the incidence of failures. There is, therefore, a need to improve our understanding of the behavior of the materials employed, under a new set of operating conditions. The heat resistant alloys of HK-40 and Incoloy 800 type have been used competitively in the past. Most evidence suggests that both types of materials ultimately fail by creep rupture brought about by dual effect of carburization and low cycle thermal fatigue.

The purpose of the present paper is to study the characteristics of failure both in carburized and uncarburized condition for heat resistant alloys, with particular emphasis on HK-40. Stress rupture data, creep ductility and microstructural evidence have been employed in the course of the present study to indicate possible mechanisms of rupture.

It has been established from the analysis of recent literature data that a single fracture mechanism operates, in spite of the wide range of microstructures present. Furthermore, carburization does not influence the processes of damage accumulation, but rather those of crack nucleation

Résumé

La nécessité d'améliorer le rendement des fours de pyrolyse a conduit à des températures de fonctionnement accrues (> 1000°C), des temps de maintien plus courts et des flux thermiques plus grands.

Le plus grande sévérite des conditions de fonctionnement a accru la fréquence des détériorations. C'est pourquoi est apparu le besoin de mieux comprendre le comportement des matériaux employés dans ces conditions nouvelles d'utilisation.

Les alliagues à bonne résistance thermique, du type HK-40 et Incoloy 800, ont été utilisés concurremment, dans le passé. L'expérìence montre que ces deux types de matériaux sont finalement détériorés par la rupture au fluage provoquée par l'effet simultane de la carburation et de la fatigue thermique.

Le but de ce travail est l'étude des caractéristiques de déterioration, d'alliages à bonne resistance thermique, en particulier de l'alliage HK 40, en condition de carburation ou de non-carburation. Des données de rupture sous contrainte, des essais de fluage et ductilité et la micrographie ont été employés au cours de la présente étude pour déterminer les mécanismes possibles de la rupture.

De l'analyse des données récentes de la littérature, il a été déduit que l'on se trouve en présence du mécanisme de propagation d'une seule fissure en dépit la diversité des microstructures presentes. En outre, la carburation n'influence pas les processus d'accumulation des défauts, mais joue sur la nucléation des fissures.