Heat flow in blast furnace hearths

Abstract

Heat flow and temperature distribution in iron blast furnace hearths has been investigated using a digital computer implemented simulation. Furnace hearths, with and without underhearth cooling, have been simulated to provide dynamic thermal response characteristics and to explore refractory material requirements for improved hearth design.

A digital computer program utilizing numerical approximations to the heat flow equations in three dimensions (two dimensions with radial symmetry in the third) was used to calculate unsteady state heat transfer characteristics. Stave cooling, carbon and ceramic refractories, refractory thermal property variations, salamander formation, underhearth cooling systems, and other design and operating parameters were considered in evaluating the steady and unsteady state temperature distributions in blast furnace hearths.

Résumé

On fait l' étude du flux de chaleur et de la distribution de température dans le creuset d'un haut fourneau par une simulation à l'aide d'un ordinateur. Nous considérons le creuset sans ou avec refroidissemen t afin d'obtenir l' évolution des proprietes thermiques et de sonder les besoins en matériaux réfractaire pour ameliorer le design du creuset.

Un programme d'ordinateur basé sur la méthode d'approximations numeriques aux équations tridimentionnelles de transfert de chaleur (deux dimensions rectilignes avec symétrie radiale dans la troisième direction) a été employé dans le calcul du comportement de transfert de chaleur en régime transitoire. Nous avons considéré le refroidissement des douves, l'u tilisation des réfractaires à carbone et à ceramique, la variation des propriétés thermiques des réfractaires, la formation d'un loup ferreux, d'autres designs et les paramètres d' opération dans cette évaluation des distributions des températures en régime transitoire et en régime permanent des creusets des hauts-fourneaux.     

Decarburization of iron-carbon alloys by argon-oxygen mixtures

Abstract

Liquid iron which contained up to 4% carbon was decarburized at temperatures of 1335 – 1445°C in argon containing up to 1.16% oxygen. Rates were measured by following the O₂ consumption by an electrochemical cell, or the CO₂ production by a mass spectrometer. The crucible was arranged so that the depth of alloy could be varied without altering the pattern of gas flow. The rate of decarburization did not depend on the crucible-melt interfacial area or the roughness of the crucible. It was concluded that heterogeneous nucleation of CO at the walls of the crucible was not an important rate-controlling step. The effects of carbon content of the melt, oxygen content and flow rate of the gas, and temperature on the rate of decarburization, support previous suggestions that the rate-determining step for the range of conditions studied is diffusion of oxidant in the gas phase.

Résumé

Du fer liquide contenant jusqu' à 4% de carbone fut décarburé à des températures variant de 1335 à 1445°C dans de l'argon comprenant jusqu'à 1.16 % d'oxygéne. Le processus de décarburation était suivi soit en mesurant la consommation d'oxygène par une cellule électrochimique, soit en mesurant au spectromètre de masse la production de CO₂. Le dessin du creuset permettait de faire varier le niveau de métal liquide sans pour autant changer l'écoulement du gaz. Le taux de décarburation est independent de l'interface creuset-bain liquide et de la rugosite du creuset. Les auteurs en concluent que la germination heterogene du CO sur les parois du creuset n'est pas un mecanisme determinant le taux de reaction. L'effet de la teneur en carbone du bain, de la teneur en oxygene du gaz, et de la temperature sur le taux de décarburation confmne les idees précédemment emises que le facteur déterminant le taux de reaction, pour les conditions expérimentales étudiées, est la diffusion de l'oxydant dans la phase gazeuse.     

RATIONAL DESIGN OF ADVANCED MATERIALS: OPPORTUNITIES IN MATERIALS RESEARCH

Abstract

Global markets are pressuring the chemicals and advanced materials industries to reduce the time span between research and development. In particular, current approaches to the development and insertion of advanced materials in systems pertaining to applications in vital sectors including microelectronics, photonics, automobile and space are too time intensive and expensive. Despite the large investments in the development of these systems, insertion is not certain since material development is often not linked to the system designer needs and thus results in materials that do not meet their requirements. There is potentially a very high pay off for developing methodologies that will accelerate the insertion of materials, thereby saving millions of investment dollars. Recent advances in computing power, coupled with scientific software and scientific databases will enable all industries engaged in developing advanced materials to solve these problems. This article addresses the application of scientific databases of structural and property information of inorganic materials in the areas of materials informatics, materials systematics and materials selection.

Le marché mondial fait pression sur l’industrie chimique et sur l’industrie des matériaux de pointe afin de réduire le temps écoulé entre la recherche et le développement. En particulier, les approches courantes de développement et d’insertion des matériaux de pointe dans les systèmes ayant trait à l’utilisation dans les secteurs vitaux, incluant la microélectronique, la photonique, l’automobile et l’espace, consomment trop de temps et d’argent. En dépit d’investissements importants dans le développement de ces systèmes, l’insertion est incertaine puisque le développement de matériau est souvent indépendant du système dont le concepteur a besoin et ainsi résulte en matériaux qui ne satisfont pas à leurs exigences. Il y a un gain potentiellement très élevé dans le développement de méthodologies qui accéléreraient l’insertion de matériaux et sauveraient donc des millions de dollars en investissement. Les avances récentes dans la puissance des ordinateurs, couplées au logiciel et banques de données scientifiques permettront à toutes les industries engagées dans le développement de matériaux de pointe de résoudre ces problèmes. Cet article examine l’utilisation de banques de données scientifiques d’information de structure et de propriétés des matériaux inorganiques dans le domaine des matériaux informatiques, de la systématique des matériaux et de leur sélection.     

CHARACTERIZATION OF OXIDE AND HYDROXIDE IN MgCl2-NaCl MELTS

Abstract

This work is part of a research program whose aim is to develop an electroanalytical technique to determine the amount of dissolved oxide and hydroxide in industrial electrolytes for the electrowinning of Mg. The systems studied were mixtures of MgCl₂ and NaCl ranging from pure MgCl₂ melts to melts containing 10 mole% MgCl₂ and 90 mole% NaCl. MgO and MgOHCl were added to these melts at different temperatures. Voltammetric measurements were performed before and after the addition of MgO or MgOHCl. Melt samples for chemical analysis were withdrawn before and after the additions of these compounds as a function of time after addition. The quenched melt samples were analyzed by carbothermal reduction analysis and by the acid consumption method to obtain the O₂- and OH- contents of the melt. Linear sweep voltammetry was performed with a sweep rate of 200 mV&#x00₂F;sec in the cathodic and anodic potential regions to detect the concentration of dissolved MgOHCl and MgO, respectively. The results indicate a linear relation between MgO and MgOHCl concentrations and the peak current densities for the electrochemical reactions of the dissolved MgO and MgOHCl species in the melt, respectively. The results are promising in view of the possibility to detect voltammetrically in situ both dissolved MgOHCl and MgO in the electrolyte during Mg production.

Ce travail fait partie d’un programme de recherche dont le but est de développer une technique électro-analytique pour la détermination de la quantité d’oxyde et d’hydroxyde dissous dans les électrolytes industriels d’extraction électrolytique du Mg. Les systèmes étudiés consistaient en mélanges de MgCl₂ et de NaCl allant de bains purs de MgCl₂ à des bains contenant 10% mole de MgCl₂ et 90% mole de NaCl. On ajoutait du MgO et du MgOHCl à ces bains à différentes températures. On a effectué des mesures de voltampérométrie avant et après l’addition du MgO ou du MgOHCl. On a retiré des échantillons de bains, pour analyse chimique, avant et après l’addition de ces composés en fonction du temps après l’addition. On a analysé les échantillons de bains trempés par réduction carbothermique et par la méthode de consommation d’acide pour obtenir la teneur en O₂- et en OH- du bain. On a effectué des mesures par voltampérométrie à balayage linéaire avec une vitesse de balayage de 200 mV&#x00₂F;s dans les régions de potentiel cathodique et anodique pour détecter la concentration de MgOHCl et de MgO dissous, respectivement. Les résultats indiquent une relation linéaire entre les concentrations de MgO et de MgOHCl et les pics de densité de courant des réactions électrochimiques des espèces MgO et MgOHCl dissoutes dans le bain, respectivement. Les résultats sont prometteurs en ce qui a trait à la possibilité de détecter directement par voltampérométrie tant le MgOHCl que le MgO dissous dans l’électrolyte lors de la production de Mg.     

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.     

Heat Transfer Modelling of the Melting of Solid Particles in an Agitated Molten Metal Bath

Abstract

The melting of solid particles in stagnant melt such as the melting of iron pellets in an electric arc-furnace has been the subject of many investigations. However, little work can be found in the literature about the modelling of heat transfer during the melting of solid particles in an agitated molten metal bath. The present work deals with the development of a heat transfer model for the melting of the solid pellets in a stirred melt, as melting in induction furnaces or gas-stirred vessels. First, the flow pattern in the liquid bath was obtained using a two-equation k–ε turbulent flow model which was further employed to obtain the particle's trajectory and its slip velocity. The heat transfer coefficient between the melt and particle was then calculated and used in the model to identify the rate of heat transfer to the particle. Parametric studies were carried out to evaluate the effects of such parameters as physical properties of particle and those of the melt on the melting rate of particle. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La fonte de particules solides dans un liquide stagnant, telle que la fonte de boulettes de fer dans un four à arc électrique, a été le sujet de plusieurs investigations. Cependant, on trouve peu d'information dans la litterature sur la modélisation du transfert de chaleur lars de la fonte de particules solides dans un bain agite de métal fondu. Le present travail a pour objet le développement d'un modèle de transfert de chaleur de la fonte de boulettes solides dans un liquide agité, telle que la fonte dans les fours a induction ou les réacteurs à agitation gazeuse. Premièrement, on a obtenu le patron d'écoulement dans le bain liquide en utilisant un modèle d'écoulement turbulent à deux equations, k–ε, également utilisé pour obtenir la trajectoire de la particule et sa vélocité de glissement. On a ensuite calculé le coefficient de transfert de chaleur entre le liquide et la particule et on l'a utilisé dans le modéle pour identifier le taux de transfert de chaleur vers la particule. On a mene des etudes paramétriques afin d'evaluer l'effet de parametres tels que les proprietes physiques de la particule et celles du liquide sur le taux de fonte de la particule. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

The Kinetics of Slag-Metal Reactions

Abstract

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

Résumé

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

Influence of process parameters on reduction contours during production of ferrochromium in submerged arc furnace

Abstract

Contours of iso‐reduction lines in the submerged arc furnace producing ferrochromium were constructed using a mathematical model based on the temperature profile inside the furnace and the kinetics of reduction of chromite ores. The location and the contours of the iso‐reduction lines are significantly influenced by the temperature profile in the furnace. From the model, it is found that ～27% of the furnace volume is used for the reduction of the ore. The contours are significantly influenced by the degree of pre‐reduction of the ore charged into the furnace. The iso‐reduction lines can be used for enhancing the efficiency of the process and for better control of the operation exploiting options such as intelligent distribution of charge materials over the charge bed.

On a construit des lignes de contour d’iso‐réduction dans le four à arc submergé produisant du ferrochrome en utilisant un modèle mathématique basé sur le profil de température à l’intérieur du four et sur la cinétique de réduction des minerais de chromite. La localisation et les contours des lignes d’iso‐réduction sont influencés significativement par le profil de température dans le four. À partir du modèle, on a trouvé qu’environ 27% du volume du four était utilisé pour la réduction du minerai. Les contours sont influencés significativement par le degré de pré‐réduction du minerai chargé dans le four. On peut utiliser les lignes d’iso‐réduction pour augmenter le rendement du traitement et pour mieux contrôler les options d’exploitation de l’opération comme la distribution intelligente des matériaux de la charge sur le lit de chargement.     

Investigation on dendritic solidification and microsegregation in presence of melt convection using phase field simulation

Abstract

A phase field model has been used to simulate dendritic solidification of a binary alloy in the presence of forced melt convection. The influence of melt flow on morphology and solute distribution was investigated for various conditions. The results showed that incorporation of fluid flow causes asymmetric dendritic growth which is amplified by increasing fluid velocity. Moreover, it has been found that the effects of melt flow on the growth of different arms depend on the preferred growth orientation of the dendrite with respect to flow direction. Solid microsegregation study of the growing dendrite arm perpendicular to the flow direction indicated that the position of the arm axis varied almost linearly with flow velocity. Introducing an adjusting term called an antitrapping current in the concentration equation prevents solute from being highly trapped in the solid phase and causes the phase field simulations to be more realistic, especially for high undercoolings.

On a utilisé un modèle de champ de phase pour simuler la solidification dendritique d’un alliage binaire en présence de convection forcée du bain. On a examiné l’influence de l’écoulement du bain sur la morphologie et la distribution de soluté sous des conditions variées. Les résultats ont montré que l’incorporation de l’écoulement du fluide produisait une croissance dendritique asymétrique qui est amplifiée par l’augmentation de la vitesse du fluide. De plus, on a trouvé que l’effet de l’écoulement du bain sur la croissance de différentes branches dépendait de l’orientation préférée de la croissance de la dendrite par rapport à la direction de l’écoulement. L’étude de la microségrégation solide de la branche de dendrite en croissance perpendiculaire à la direction de l’écoulement indiquait que la position de l’axe de la branche variait presque linéairement avec la vitesse de l’écoulement. L’introduction d’un terme d’ajustement, appelé courant de contre-piégeage, dans l’équation de concentration empêche le soluté d’être trop piégé dans la phase solide et rend les simulations de champ de phase plus réalistes, particulièrement dans les cas de surfusions élevées.     

Influence of thermal storage on microstructure and properties of Sn–9Zn–xIn alloys

Abstract

This study investigated the solidification behaviour and microstructural properties of Sn–9Zn–xIn alloys cooled under various crucible environments (i.e. gypsum or graphite moulds). Sn–9Zn–xIn solder specimens were prepared with the addition of In ranging from 0 to 0·5 wt-%. The specimens were melted at 200°C, poured into gypsum or graphite moulds and then allowed to cool in air. The microstructure, chemical composition and hardness properties of various specimens were then systematically examined. It was found that the microstructure (and hence the mechanical properties) of the solder samples can be controlled by manipulating the variables of the solidification process, such as cooling rate, element diffusion rate, solubility among elements and the crucible environment.

Cette étude a examiné le comportement de solidification et les propriétés de la microstructure des alliages Sn–9Zn–xIn refroidis dans divers creusets (c’est-à-dire des moules en plâtre ou en graphite). On a préparé des spécimens de soudure de Sn–9Zn–xIn avec des additions d’In variant de 0 à 0·5% en poids. Les spécimens étaient fondus à 200°C, coulés dans des moules en plâtre ou en graphite, et ensuite refroidis à l’air. Ensuite, on a systématiquement examiné la microstructure, la composition chimique et la dureté des divers spécimens. On a trouvé que l’on pouvait contrôler la microstructure (et ainsi les propriétés mécaniques) des échantillons de soudure en manipulant les variables du procédé de solidification, comme la vitesse de refroidissement, la vitesse de diffusion de l’élément et la solubilité entre les éléments ainsi que la nature du creuset.     

Titanium deoxidation reactions in liquid iron

Abstract

An experimental study has been made of the equilibrium between titanium and oxygen in liquid iron at 1625° and 1700°C. Equilibrium was established between liquid Fe-Ti-O alloys held in Ti₃O₅ or Al₂O₃ crucibles and water vapor-hydrogen gas mixtures which were used to control the oxygen potential of the melt. The gas mixture was bubbled through the melt to give good gas-metal contact and to avoid thermal diffusion effects. In the reaction

Ti₃O₅(s) + 5H₂(g) ? 3 Ti + 5H₂O(g)

equilibrium was attained both by reduction of the solid oxide crucible and by oxidation of titanium in the alloy. Quenched samples obtained by suction into SiO₂ tubes were analyzed chemically for titanium and by vacuum fusion for oxygen. X-ray diffraction techniques were used to identify the products of deoxidation. Thermodynamic data for Fe-Ti-O alloys are presented and the use of SiO₂ sampling tubes at low oxygen potentials is discussed. Results are compared with published data and it is suggested that titanium decreases appreciably the activity coefficient of oxygen in liquid iron and that the deoxidizing power of titanium is closer to that of aluminum than that of silicon or vanadium.

Résumé

Les auteurs ont étudié l'équilibre entre le tatane et l'oxygène dans le fer liquide à 1625 et 1700°C. Des mélanges vaporeux d'eau-hydrogène ont servi à contrô1er le potentiel d'oxygène dans les alliages liquides Fe-Ti-O dans des creusets de Ti₃O₅ ou de Al₂O₃. Le mélange gazeux circulait à travers le bain liquide pour favoriser les échanges gaz-métal et éviter des effets de diffusion thermique.

Le point d'équilibre de la réaction:

Ti₃O₅(s) + 5H₂(g) ? 3 Ti + 5H₂O(g)

a été atteint par réduction du creuset d'oxyde solide et par oxydation du titane de l'alliage. Le titane a été dosé par voie chimique et l'oxygéne par fusion sous vide. Les échantillons pour le dosage ont été prélevés par aspiration de l'alliage dans des tubes de silice. Les produits de désoxydation ont été identifiés par diffraction des rayons-X. Les auteurs présentent des données thermodynamiques et discutent de l'utilisation des tubes de silice pour l'echantillonnage.

Ils comparent leurs résultats aux données de la littérature: ils rapportent que le titane abaisse le coefficient d'activité de l'oxygéne dans le fer liquide et que le pouvoir désoxydant du titane se rapproche plus de celui de l'aluminiumque de celui du silicium ou du vanadium.     

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.     

A study of reduction and magnetic separation of iron from high iron bauxite ore

Abstract

The removal of iron as magnetite from a high iron bauxite ore was investigated by carbothermal reduction and magnetic separation. Thermodynamic calculations using HSC Chemistry 6·1 were utilised to determine the equilibrium compositions of the reaction products as a function of temperature and carbon additions. Under equilibrium conditions, the formation of hercynite (FeAl₂O₄) restricted the conversion of haematite to magnetite and the equilibrium calculations were adjusted so that the amount of hercynite was limited. Also, thermogravometric analysis and differential thermal analysis with evolved gas analysis tests were performed in order to elucidate the reduction reactions. Furthermore, high temperature reduction experiments were carried out in order to quantify the effects of processing time, temperature and carbon additions on the amount of the magnetic fraction. The degree of removal of the iron and the alumina recovery were determined. For a given set of conditions, the maximum iron removal as magnetite could only be achieved by quenching the reacted samples. The results demonstrated that at a reduction temperature of ～1073 K, ～58% of the iron could be removed in the magnetic fraction with an alumina recovery of ～85% in the non-magnetic fraction.

On a examiné l’enlèvement du fer sous forme de magnétite d’un minerai de bauxite à haute teneur en fer, au moyen de la réduction carbothermique et séparation magnétique. On a utilisé des calculs de thermodynamique avec ″HSC Chemistry 6·1″ pour déterminer les compositions d’équilibre des produits de la réaction en fonction de la température et des additions de carbone. Sous les conditions d’équilibre, la formation d’hercynite (FeAl₂O₄) restreignait la conversion d’hématite en magnétite et l’on a ajusté les calculs d’équilibre afin de limiter la quantité d’hercynite. On a également effectué des essais de TGA-DTA avec EGA afin d’élucider les réactions de réduction. De plus, on a exécuté des expériences de réduction à haute température afin de quantifier l’effet de la durée de traitement, de la température et des additions de carbone sur la quantité de fraction magnétique. On a déterminé le degré d’enlèvement du fer et de la récupération d’oxyde d’aluminium. Pour un ensemble donné de conditions, on peut obtenir l’enlèvement maximal de fer sous forme de magnétite seulement par trempe de refroidissement des échantillons réagis. Les résultats ont démontré qu’à une température de réduction d’environ 1073 K, on pouvait enlever environ 58% du fer dans la fraction magnétique, avec une récupération de l’oxyde d’aluminium d’environ 85% dans la fraction non magnétique.     

Effect of iron as alloying element on electrochemical behaviour of 90∶10 Cu–Ni alloy

Abstract

Copper–nickel alloys have been used in many applications in marine environments, because of their excellent corrosion and biofouling resistance. In this study, the effects of iron as an alloying element on the corrosion behaviour of copper–10 wt-% nickel alloy in artificial saline solutions and natural sea water were investigated. Synthetic copper–nickel alloys were prepared in an induction furnace under an argon–7 vol.-% hydrogen atmosphere in cylindrical boron nitride crucibles. They were then homogenised at 950°C for 10 h under the same protective atmosphere. Linear sweep polarisation, cyclic polarisation, Tafel extrapolation and cyclic voltammetry techniques were performed in this investigation. Following the electrochemical measurements, the corrosion products and the passive film were analysed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), electron probe microanalysis, energy dispersive spectrometry (EDS), wavelength dispersive spectrometry (WDS) and X-ray diffraction (XRD). The electrochemical behaviour of the synthetic Cu–Ni–Fe alloys depends on maintaining iron in a single phase in the solid solution (the maximum amount of iron that can be used was 1·5 wt-%). Quenching improves the electrochemical behaviour of synthetic Cu–Ni–Fe alloys containing relatively high iron content. The outer layer of the passive film is porous in the absence of iron, but when iron is added, the pores disappear and cracks appear. When no sulphate is present in the solution, the passive film formed on synthetic Cu–Ni–Fe alloys consists entirely of chlorides, and Fe₂O₃. In the presence of sulphate, FeS and NiS were detected in the corrosion film.

On a utilisé les alliages de cuivre–nickel à de nombreuses fins en milieux marins, grâce à leur excellente résistance à la corrosion et à l’incrustation biologique. Dans cette étude, on a examiné l’effet du fer en tant qu’élément d’alliage sur le comportement de corrosion d’un alliage de cuivre–10% en poids de nickel dans des solutions salines artificielles et dans de l’eau de mer naturelle. On a préparé des alliages synthétiques de cuivre–nickel dans un four à induction dans une atmosphère d’argon–7% en volume d’hydrogène dans des creusets cylindriques de nitrure de bore. On les a ensuite homogénéisés à 950°C pendant 10 heures sous la même atmosphère protectrice. Dans cette investigation, on a utilisé des techniques de polarisation linéaire à balayage, de polarisation cyclique, d’extrapolation de Tafel et de voltampérométrie cyclique. Après les mesures électrochimiques, on a analysé les produits de corrosion et le film passif en utilisant un microscope à balayage électronique à champs par émission d’ions (FE-SEM), la microanalyse par électrons, la spectrométrie des rayons X à dispersion d’énergie (EDS), la spectrométrie dispersive en longueur d’onde (WDS) et la diffraction des rayons X (XRD). Le comportement électrochimique des alliages synthétiques de Cu-Ni-Fe dépend du maintien du fer en une phase unique dans la solution solide (la quantité maximale de fer que l’on pouvait utiliser étant de 1·5% en poids). La trempe améliore le comportement électrochimique des alliages synthétiques de Cu–Ni–Fe ayant une teneur relativement élevée en fer. La couche extérieure du film passif est poreuse en l’absence de fer, mais lorsque l’on ajoute du fer, les pores disparaissent et des fissures apparaissent. Lorsqu’il n’y a pas de sulfate dans la solution, le film passif formé sur les alliages synthétiques de Cu–Ni–Fe consiste entièrement en chlorures et en Fe₂O₃. En présence de sulfate, on détecte du FeS et du NiS dans le film de corrosion.     

Kinetics of reactions between gases and molten alloys of iron

Abstract

Under conditions where transport in the gas phase is rate determiiling, a unified concept of reactions between gases and solutes dissolved in liquid metals may be based on the equilibrium constant for the reaction. Examples are given for reactions between the gases hydrogen or oxygen and the solutes carbon, sulphur and oxygen dissolved in liquid iron.

Résumé

Quand le transport en phase gazeuse détermine le taux de réaction, un concept unifié de réactions entre des gaz et des solutés dissouts dans un métal liquide peut être basé sur les constants d'équilibre de la réaction. Nous présentons des exemples pour la réaction de l'oxygène ou de l'hydrogène gazeux avec du carbone, du soufre ou de l'oxygène dissouts dans du fer liquide.     

Prediction of hydrogen chloride pressure to avoid hydrolysis in dehydration of dysprosium trichloride hexahydrate (DyCl3.6H2O)

Abstract

The prevalent metal extraction processes for most reactive metals and their alloys are fused salt electrolysis and metallothermic reduction. The feed material for both of these processes is the anhydrous chloride of the metal under consideration. Dehydration of the feed material is then a critical step in the production of most reactive metals and requires rigorous thermodynamic analysis. Thermodynamic data for most of the reactive metal chloride hydrates have not been measured. Improper dehydration of the metal chloride may lead to a prohibitive amount of hydroxychloride, oxychloride, and finally oxide. To prevent hydrolysis a certain pressure of hydrogen chloride is required to be maintained to supress hydrolysis. An estimation and prediction model is presented for the vapour pressures of reactive metal chloride hydrates in an attempt to deduce the conditions necessary for dehydration to proceed without hydrolysis. Thermodynamic data including heat capacities, standard entropies, and standard enthalpies are estimated/predicted for all conceivable intermediate hydrate compounds. Estimations are based on published data as well as trends proven in similar systems. The thermodynamic estimations and predictions are presented for dysprosium chloride hydrates.

Les procédés courants d’extraction de métal des métaux les plus réactifs et de leurs alliages sont l’électrolyse en bain de sel fondu et la réduction métallo-thermique. Le matériel d’alimentation de ces deux procédés est le chlorure anhydre du métal considéré. La déshydratation du matériel d’alimentation est donc une étape critique dans la production des métaux les plus réactifs et requiert une analyse thermodynamique rigoureuse. Les données thermodynamiques de la plupart des hydrates de chlorure du métal réactif n’ont pas été mesurées. Une déshydratation inappropriée du chlorure de métal peut produire une quantité excessive d’hydroxychlorure, d’oxychlorure et finalement d’oxyde. Afin d’empêcher l’hydrolyse, on doit maintenir une certaine pression de chlorure d’hydrogène. On présente un modèle d’estimation et de prédiction des pressions de vapeur des hydrates de chlorure de métal réactif, dans une tentative de déduire les conditions nécessaires pour que la déshydratation se produise sans hydrolyse. On a estimé ou prédit les données thermodynamiques incluant les capacités calorifiques, les entropies standards et les enthalpies standards de tous les composés hydrates intermédiaires concevables. Les estimations sont basées sur les données publiées ainsi que sur les tendances démontrées dans des systèmes similaires. On présente les estimations et les prédictions thermodynamiques des hydrates de dysprosium chlorure.     

Linear friction welding of Al–Cu: Part 1 – Process evaluation

Abstract

Aluminium–copper assemblies are used as power connectors in various industrial processes. Fusion welding of aluminium to copper faces two main challenges that are related to the high thermal conductivity of the materials and the aggressive reaction between the materials that forms brittle intermetallic phases at the interface. Though high energy density techniques such as electron beam welding can overcome the thermal conductivity issue, only solid state joining techniques can viably manufacture the aluminium–copper assemblies while minimising the formation of the intermetallic phases that are problematic for the electrical conductivity and efficiency of the connector. In this work, an alternative approach for manufacturing the aluminium–copper assemblies has been developed using linear friction welding, an emergent solid state joining technology. The influence of process conditions on the joint integrity and the characteristics of the interface were studied using optical microscopy and electrical conductivity measurements. Under optimum processing conditions, integral joints with limited intermetallic phases at the interface could be repeatedly produced. In comparison with aluminium–copper assemblies manufactured by explosive welding, the fraction and size of the intermetallic phases located at the interface, as well as the extent of the interfacial region over which changes in the properties occur, were determined to be considerably reduced when employing linear friction welding.

Des assemblages d’aluminium-cuivre sont utilisés comme connecteurs d’alimentation dans divers processus industriels. Le soudage par friction de l’aluminium au cuivre fait face à deux obstacles principaux qui sont reliés (1) à la conductivité thermique élevée des matériaux et (2) à la réaction agressive entre les matériaux, ce qui forme des phases intermétalliques fragiles à l’interface. Bien que des techniques à haute densité d’énergie, comme le soudage par faisceau d’électrons, puissent surmonter le problème de la conductivité thermique, seules les techniques d’assemblage par diffusion peuvent fabriquer de façon viable les assemblages d’aluminium-cuivre tout en minimisant la formation des phases intermétalliques qui sont problématiques pour la conductivité électrique et pour le rendement du connecteur. Dans ce travail, on a développé une approche de rechange pour la fabrication d’assemblages d’aluminium-cuivre en utilisant le soudage par friction linéaire (LFW), une technologie émergente d’assemblage par diffusion. On a étudié l’influence des conditions du processus sur l’intégrité de l’assemblage et sur les caractéristiques de l’interface en utilisant la microscopie optique et des mesures de conductivité électrique. Sous des conditions optimales de traitement, on pouvait produire à répétition des joints intégraux avec des phases intermétalliques limitées à l’interface. Par rapport aux assemblages d’aluminium-cuivre fabriqués par soudage par explosion (EW), on a déterminé que la fraction et la taille des phases intermétalliques situées à l’interface, ainsi que l’étendue de la région interfaciale où il se produit des changements de propriétés, étaient considérablement réduites lorsqu’on utilisait le LFW.     

Electric resistivity of fine chromite ore: measurement and prediction

Abstract

Fine chromite ore is a common raw material used to produce ferrochrome alloy by submerged electric arc furnace process. The electric resistivity of fine chromite ore determines current distribution, which in turn, affects operation efficiency during the process. The effects of particle size and contact area of the particles on the electric resistivity of several types of chromite were investigated at room temperature. The relationship between the electric resistivity of mixed particles and the volume fraction of lump ore to fine ore was also studied. Contact resistivity decreases with increasing box-counting dimension. Finally, a ‘parallel connection circuit model’ for predicting the electric resistivity of the chromite mixture was developed. Results show that electric resistivity increases as particle size increases, and that the electric resistivity of the mixture decreases with increasing volume ratio of fine ore. The electric resistivity calculated by the parallel connection circuit model is consistent with measurements.

Le minerai fin de chromite est un matériau brut commun utilisé dans la production d’alliage de ferrochrome par le procédé du four électrique à arc submergé. La résistivité électrique du minerai fin de chromite détermine la distribution du courant, qui, à son tour, affecte l’efficacité de l’opération lors du procédé. On a examiné, à la température de la pièce, l’effet de la taille de particule et de l’aire de contact des particules sur la résistivité électrique de plusieurs types de chromite. On a également étudié la relation entre la résistivité électrique de particules mélangées et la fraction volumique du minerai en bloc par rapport au minerai fin. La résistivité par contact diminuait avec une augmentation de la dimension de boîtes. Finalement, on a développé un ″modèle de circuit à connexions en parallèle″ pour la prédiction de la résistivité électrique du mélange de chromites. Les résultats montrent que la résistivité électrique augmente avec une augmentation de la taille de particule et que la résistivité électrique du mélange diminue avec une augmentation de la densité relative de minerai fin. La résistivité électrique calculée au moyen du modèle de circuit à connexions en parallèle est en accord avec les mesures.     

Effects of ceramic particles and composition on elastic modulus of low density steels for automotive applications

The present work deals with the effects of TiB₂ ceramic particles and selected alloying elements (Al and Mn) on the elastic modulus of steels. Steels and its composite containing varying amounts of Al, Mn and C, and a fixed amount of TiB₂ particles (7·8 wt-% i.e. 13 vol.-%) were made using the bulk route of liquid steel metallurgy. All the materials were processed thermomechanically to sheet form following standard processing routes for automotive sheets. The steels containing only Al exhibited ferritic microstructures whereas addition of Mn and C caused the evolution of ferrite or austenite based duplex microstructures in the material depending on the Mn and C content. On the contrary, large TiB₂ particles formed mainly by eutectic reaction from the liquid state were distributed in the ferritic matrix of the composite. All the investigated materials showed a large density drop in the range of 7·4–12·7%. Al caused a drastic drop in elastic modulus of ferritic steels whereas the elastic modulus was recovered in ferrite based duplex steel by virtue of Mn. On the contrary, Mn did not improve the elastic modulus in austenite based duplex steel. TiB₂ and small amount of TiC particles in the composite were found to increase the elastic modulus by ～19% in as cast condition. However, the elastic modulus of composite showed a dependence on the processing steps with decreases after subsequent hot and cold rolling steps. It was due to the delamination of particle/matrix interface, void formation and fragmentation of reinforcing particles with reduction in thickness of sheet. The elastic modulus of the composite also showed directionality due to specific alignment and various shape of ceramic particles. It was predicted that the performance and weight saving of these materials for automotive applications would be enhanced with a good combination of high strength, low density and high elastic modulus.

Ce travail a pour objet l’effet des particules de céramique de TiB₂ et d’éléments d’alliage choisis (Al et Mn) sur le module d’élasticité des aciers. On a fabriqué des aciers et leurs composites contenant des quantités variables d’Al, de Mn et de C et une quantité fixe de particules de TiB₂ (7·8% en poids, soit 13% en volume) en utilisant la route en vrac de la métallurgie de l’acier brut liquide. On a utilisé le traitement thermomécanique sur tous les matériaux pour former des tôles d’après des routes normales de traitement des tôles d’automobile. Les aciers contenant seulement de l’Al exhibaient des microstructures ferritiques alors que l’addition de Mn et de C résultait en l’évolution de microstructures biphasées à base de ferrite ou d’austénite dans le matériau, dépendant de la teneur en Mn et en C. Au contraire, de grosses particules de TiB₂, formées principalement par réaction eutectique à partir de l’état liquide, étaient distribuées dans la matrice ferritique du composite. Tous les matériaux examinés exhibaient une baisse importante de densité dans la gamme de 7·4 à 12·7%. L’Al avait pour résultat une baisse drastique du module d’élasticité des aciers ferritiques alors que le module d’élasticité était récupéré dans l’acier biphasé à base de ferrite, grâce au Mn. Au contraire, le Mn n’a pas amélioré le module d’élasticité de l’acier biphasé à base d’austénite. On a trouvé que le TiB₂ et une petite quantité de particules de TiC dans le composite augmentaient le module d’élasticité d’environ 19% pour la condition de brut de coulée. Cependant, le module d’élasticité du composite montrait une dépendance sur les étapes de traitement, diminuant avec les étapes subséquentes de laminage à chaud et à froid. Cette baisse résultait du délaminage de l’interface particules et matrice, de la formation de cavité et de la fragmentation des particules de renforcement, avec la réduction de l’épaisseur de la tôle. Le module d’élasticité du composite montrait également une directionnalité résultant de l’alignement des particules de céramique. On a prédit l’amélioration du rendement et de la réduction de poids de ces matériaux pour l’industrie de l’automobile grâce à une bonne combinaison de haute résistance, de faible densité et de module d’élasticité élevé.     

THERMODYNAMICS OF COPPER AND LEAD IN ALUMINA SATURATED FLASH SMELTING SLAG

Abstract

The distribution of copper and lead between copper rich alloy and alumina saturated flash smelting slag produced from Polish copper concentrates was investigated at 1673 and 1553 K under controlled oxygen partial pressures in the range from 8.6·10^?13 to 3.1·10^?7 atm in order to obtain fundamental information related to single stage flash smelting of Polish copper concentrates and decopperizing of the flash smelting slags. The slope of the linear relationship between the logarithmic distribution ratio and oxygen partial pressure shows that the predominant species dissolved in the slag are CuO_0.5 and Cu for copper and PbO and Pb for lead. Activity coefficients for all these copper and lead species in the slag were determined and compared with those in synthetic SiO₂-CaO-Al₂O₃-FeOx and SiO₂-CaO-Al₂O₃-MgO-FeO_x slags containing up to 7.5 mass% iron. Existence of a miscibility gap in the flash smelting slag was confirmed at the oxygen partial pressures used in the experiments. The results were used to explain the thermodynamic reasons behind potential problems in the decopperizing of the flash smelting slag.

On a investigué la distribution du cuivre et du plomb entre un alliage riche en cuivre et la scorie de la fusion éclair saturée en oxyde d’aluminium, produite à partir de concentrés de cuivre polonais, à 1673 et 1553 K, sous des pressions partielles contrôlées d’oxygène dans la gamme de 8.6·10^?13 à 3.1·10^?7 atm. L’objectif était d’obtenir l’information fondamentale reliée à la fusion éclair à étape unique des concentrés de cuivre polonais et au décuivrage des scories de la fusion éclair. La pente de la relation linéaire entre le ratio de distribution logarithmique et la pression partielle de l’oxygène montre que les espèces prédominantes dissoutes dans la scorie sont le CuO_0.5 et le Cu pour le cuivre et le PbO et le Pb pour le plomb. On a déterminé les coefficients d’activité de toutes ces espèces de cuivre et de plomb dans la scorie et on les a comparés avec ceux de scories synthétiques SiO₂-CaO-Al₂O₃-FeO_x et SiO₂-CaO-Al₂O₃-MgO-FeO_x contenant jusqu’à 7.5% en masse de fer. On a confirmé l’existence d’une interruption de miscibilité dans la scorie de la fusion éclair aux pressions partielles d’oxygène utilisées dans les expériences. On a utilisé les résultats pour expliquer les raisons thermodynamiques derrière les problèmes potentiels de décuivrage de la scorie de la fusion éclair.