A Perspectival Review of Rail Behavior at the Facility for Accelerated Service Testing

Abstract

The rail metallurgy tests which have been undertaken at the Facility for Accelerated Service Testing are described. The best of the premium metallurgies has been found to wear approximately 3 to 4 times better than standard rail in the unlubricated regime. However, in the lubricated regime, the maximum improvement in wear rate achievable by the use of a premium rail has been found to be only about 50 %. A strong effect of equivalent carbon has been observed for standard and HiSi rail in the underlubricated regime. Reduced wear and metal flow has led to increased fatigue failure of rail. The failure rate of standard rail at FAST is consistent with failure behavior of standard rail elsewhere in U.S. Railroad service when allowances are made for difference in wheel load. The growth of a transverse crack in the head of a rail is shown to be consistent with predictions made from simple linear elastic fracture mechanics considerations where the flexural stresses are augmented by the curving action of the train and substantial axial residual tensile stresses are assumed to exist under the work hardened running surface region of the rail head.

Résumé

Les essais de métallurgie des rails entretenus au Laboratoire d'Essais de Service Accéléré (F.A.S.T.) sont décrits. On constate que les meilleurs aciers primium résistent á l'usure de 3 á 4 fois plus longtemps que les aciers standards, dans un régime non-lubrifié. Cependant, dans le cas d'un regime lubrifié, l'amelioration maximum pour l'utilization d'un rail d'acier primium ne dépasse guére 50 %. Un effet important d'équivalent en carbone a été constate pour le rails standards et de haute teneur in Si (“Hi Si”) dans le régime so us lubrifié. Une réduction en déformation plastique et en usure ont provoqué une augmentation du taux de rupture due à la fatigue. Le taux de rupture du rail standard au F.A.S.T. est corroboré par le comportement des rails standards dans les voies ferrees des E.U. en tenant compte des differences dans les charges des roues. La croissance d'une fissure transversale dans le champignon du rail est compatible avec les prédictions de la mécanique de fracture élastique simple dans le cas ou les efforts en flexion sont augmentes par l'action de direction du train et si l'on admet que des tractions axiales residuelles importantes existent sous la region écrouie de la bande de roulement du champignon du rail.     

Similarities between the martinsitic and cold-worked structures of steels

Abstract

Close analogies existing between the mechanical and physical properties of marten sitic and cold-worked steels are partly due to the high densities of dislocations in both structures. Therefore, a parallelism should exist between the mechanisms of tempering quenched steels and of annealing cold-worked steels.

Extra-low carbon steels permit this parallelism to be established. The three classical stages of tempering in high-carbon steels being negligible in extra-low carbon steels (1,2), the mechanism of tempering the latter steels is rather similar to the mechanism of annealing cold-worked structures and occurs essentially in two stages (3): a progressive restoration interpreted in terms of a rearrangement of dislocations, and a recrystallization responsible for eliminating the remaining ‘excess’ dislocations.

It will be shown that an age-hardening phenomenon interrupts these two stages. It will also be shown by transmission electron microscopy that the above interpretation of the two stages applies well to the tempering of extra-low-carbon steels.

Résumé

Il existe une grande analogie entre les propriétés des aciers martensitiques et celle des aciers écrouis. Si les défauts réticulaires des deux structures sont de même nature, il devrait aussi exister un parallélisme entre le mécanisme du revenu des aciers après trempe et celui du recuit après écrouissage.

On peut utiliser les aciers extra-doux pour établir ce parallélisme. On sait que les réactions hétérogènes observées lors du revenu des aciers à haute teneur en carbone sont négligeables dans de tels aciers (1,2) et que leur revenu, tout comme leur recuit, se déroule essentiellement en deux stades (3): une restoration proprement dit e durant laque lIe se produit un réarrangement des dislocations suivie d'une recristallisation complétant I'élimination des défauts introduits durant la transformation. Dans cette communication, nous montrerons que le premier stade du revenu est interrompu par un phénomène de vieillissement. De plus, l'interprétation précédente des deux stades du revenu après trempe dans le cas des aciers extra-doux sera confirmée par microscopie électronique.     

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.     

Deformation Twinning in Iron Alloys Containing Dispersed Particles

Abstract

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

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

Résumé

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

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

The recovery of non-ferrous metals from secondary copper smelter discard slags

Abstract

The use of carbothermic reduction as a method of recovering copper and other non-ferrous metals from smelter discard slags has been examined. Although several pilotscale tests (referred elsewhere) showed that the recovery of copper into a base metal can exceed 70%, even for a slag originally containing only 1.5% copper, it was considered that further studies under controlled laboratory conditions were necessary to obtain a better understanding of the reduction mechanisms involved. Results from these laboratory studies show that not only is the extraction of copper related to the copper and iron contents of the original slag, but the initial slag composition also influences the composition of the base-metal. With the data obtained it is now possible to estimate the grade-recovery relationship from slags of different compositions. The physical and chemical nature of the slags after treatment is also discussed and it is concluded that refractory attack, and the subsequent assimilation of the refractory into the slag matrix may play a significant role in the mechanism by which metals are retained in slags.

Résumé

La méthode de réduction carbothermique pour la récupération du cuivre et d'autres métaux non ferreux des laitiers mis au rebut d'une fonderie a été examinée. Plusieurs essais à l'échelle pilote ont démontré que la récuperation du cuivre au moyen d'un vil métal peut excéder 70%, même pour un laitier contenant seulement 1.5% eu au départ. On considère alors que les etudes approfondies dans les conditions contrôlées en laboratoire étaient nécessaires pour obtenir une meilleure connaissance des mécanismes de la réduction. Les résultats expérimentaux montrent que l'extraction du cuivre dépend de la teneur originale en cuivre et en fer dans Ie laitier. De plus, la composition initiale du laitier a une influence sur la composition du vil métal. Avec les données expérimentales on peut estimer le rapport teneur-récupération des laitiers aux differentes compositions. Les comportements physique et chimique sont aussi abordés et on constate que l'usure du réfractaire aussi bien que la dissolution subséquente du réfractaire vers la matrice du laitier peuvent jouer un rôle significatif dans le mécanisme de retenu des métaux par les laitiers.     

Heat flow in blast furnace hearths

Abstract

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

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

Résumé

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

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

The structure and properties of warm-rolled steels

Abstract

Microstructure, tensile properties and fracture behaviour were examined in both warm-rolled rods (1150°F, 621°C) and in conventionally hot-rolled rods (1950°F, 1065°C) of four carbon grades (1015, 1038, 1060 and 1090). Both spheroidization of carbides and the development of substructure in the ferrite were produced during warm rolling. The fracture facets were more irregular, indicating an increased amount of plastic tearing, than in the conventionally hot-rolled bars. Compared with hot rolling, the warm rolling caused an increase in yield stress (all grades), in reduction of area (all grades except 1015) and in ratio of yield stress to ultimate tensile stress. The total elongation, with the exception of 1090 steel, was decreased. In the1090-grade rods, the shelf energy for the tear fracture was significantly increased, although the transition temperature was affected very little by warm rolling. In contrast, warm rolling has produced a marked decrease in shelf energy and a 30°C increase in transition temperature for the 1015 material.

Résumé

Les auteurs ont étudié la microstructure, les propriétés mécaniques en traction et la fragilité de barres d'aciers aux carbones 1015, 1038, 1060 et 1090, laminés soit à chaud (1950°F, 1065°C) soit à tiéde (1150°F, 621°C).

Au cours du laminage à tiède, il y a sphéroîdisation des carbures et apparition d'une sous-structure dans la ferrite. D'autre part le faciès de rupture est plus irrégulier, indiquant un accroissement de la ductilité.

Comparé au laminage à chaud, le laminage à tiède produit une augmentation de la limite élastique (pour tous les aciers), du coefficient de striction (pour tous les aciers sauf le 1015) et du rapport limite élastique/résistance à la traction. A l'exception de l'acier 1090, l'allongement à la rupture diminue. Pour l'acier 1090, laminé à tiède, l'énergie de rupture ductile augmente sensiblement, quoique la température de transition varie très peu. Par contre, le laminage à tiéde conduit à une forte diminution de l'énergie de rupture ductile et à une augmentation de 30°C de la température de transition pour l'acier 1015.     

Molybdenum steels for pipelines

Abstract

Stringent property requirements are specified for steels to be used for oil and gas pipelines, especially for application in extremely cold climates. The effect of controlled plate mill processing (including water spray cooling between hot rolling passes), and of simulated strip mill processing on the mechanical properties and microstructure of pipe skelp of varying thickness has been studied in a family of Mn-Mo-Cb steels developed to meet these specifications. By virtue of chemistry and process control, desired minimum levels of yield strength in the range of 60 to 90 ksi (415 to 620 N/mm²) have been achieved, with excellent corresponding toughness values, in strip and plate gauges up to 0.75 in (19 mm). The microstructure of these steels varies, according to chemistry, from ferrite plus pearlite to acicular ferrite.

Résumé

Des propriétés mécaniques particulièrement strictes son t exigées des aciers pour pipe-lines (gaz ou pétrole) situés spécialement dans des régions très froides. Pour une série d'aciers au Mn-Mo-Cb développés pour de telles applications, les auteurs ont étudié la variation des propriétés mécaniques et de la microstructure de tôles a tube d' épaisseur variable en fonction de la procédure de laminage contrôlé des tôles fortes (incluant un refroidissement par aspersion d'eau entre les passes) ou d'une procédure simulée de laminage des feuillards. Du fait de la composition chimique et du contrôlé du laminage, des limites d' élasticité de l'ordre de 60 à 90 ksi (415 à 620 N/mm²) ont été atteintes et sont associées a d'excellen tes valeurs de la résilience des feuillards et des tôles jusqu'à 0.75 in. (19 mm) d' épaisseur. Selon la composition, la microstructure de ces aciers varie de ferritico-perlitique à une ferrite aciculaire.     

Thermal decomposition of pyrite in fluidized beds

Abstract

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

Résumé

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

Effects caused by convection in the capillary and by stirring of the reservoir in the capillary-reservoir technique for measuring diffusion coeffients in liquid metals

Abstract

Causes of inaccuracy in determining diffusion coefficients in liquid metals by the capillary-reservoir technique have been investigated. Diffusion of silver in alloys of silver in liquid tin was chosen as a typical system. Examination was made of effects caused by stirring the reservoir, negative temperature gradients, and density gradients set up by differences in solute concentration between the liquid in the capillary tube and that in the reservoir. The results show that all three should be avoided if accurate data is to be obtained.

Réesumé

Léauteur a recherché les causes du manque de précision dans la détermination des coefficients de diffusion dans les métaux liquides par la méthode du réservoir capillaire. Le système type choisi a été pour la diffusion de l'argent dans des alliages d'argent dans de l' étain liquide. Ont été examinés les effets causés par une agitation du réservoir, par des gradients négatifs de tempétature, et par des gradients de densité dus à des différences de concentration des solutés entre le liquide contenu dans le capillaire et celui contenu dans le réservoir. Pour obtenir de bonnes mesures, ces trois effets doivent étré évités.     

Improved Fracture Toughness and Resistance to Fatigue Crack Propagation in ESR Steels

Abstract

Two types of alloy steels (En 24 and En 52 steels) have been electro slag refined and the improvement in their mechanical properties has been assessed. ESR has improved the tensile ductility, plane strain fracture toughness, room temperature CVN energy, fatigue strength and has decreased fatigue crack growth rates. The K _lc values for the ESR steel are nearly twice those estimated in the unrefined steel. Fatigue crack growth rates in region I and region III are found to be decreased considerably in the ESR steel while they are unaffected in region II. The improvement in the mechanical properties has been explained in terms of the removal of large sized nonmetallic inclusions and reduction in sulfur content in the ESR steel.

Résumé

Deux types d'aciers alliés (En 24 et En 52) ont été affinés par refusion sous laitier (ESR) et l'amélioration de leurs propriétés mécaniques a été évaluée. Le procédé ESR a amélioré la ductilité en traction, la ténacité en déformation plane, l' énergie CEV à température ambiante, la résistance à la fatigue et a diminué les taux de croissance des fissures de fatigue. Les valeurs de K_lc des aciers ESR sont presque le double de celles estimees pour les aciers non affinés. Les taux de propagation des fissures de fatigue dans les domaines I et III sont considérablement moins élevés dans les aciers ESR alors qu'ils ne sont pas affectés dans la région II. L'amélioration des propriétés mécaniques a été expliquée en termes de l'enlèvement des inclusions non métalliques de taille importante et de la réduction de la teneur en soufre des aciers ESR.     

Principles of metal oxidation

Abstract

The principles governing formation of superficial oxides on metal surfaces are surveyed. Oxide crystals grow on a metal surface by rearrangement and place exchange within metal-oxygen substructures arising from the accumulation of oxygen by adsorption processes. The rate-controlling steps for growth of films are discussed by means of film models describing ion and electron migration under the influence of electrical potential gradients. These condiderations give rise to inverse logarithmic, direct logarithmic, cubic and parabolic time equations for film growth. The most rigorously tested theoretical basis in metal oxidation is that for the parabolic growth of scales based upon ambipolar diffusion of the reactants by point defects in oxides such as interstitials and vacancies. In several instances low resistance diffusion paths in oxides, such as grain boundaries and dislocations, cause leakage paths in films and short-circuit paths in scales. Several cases are discussed, where oxidation is controlled to linear kinetics by phase boundary reaction steps.

Résumé

Les auteurs passent en revue les principes régissant la formation d'oxydes superficiels sur des surfaces métalliques. Les cristaux d'oxyde croissent sur une surface métallique par un réarrangement et un changement de site à l'interieur de la sous-structure métal-oxygène provenant de l'accumulation d'oxygène par adsorption. Ces étapes controllant le taux de croissance des films sont discutées en fonction de modèles decrivant la migration des ions et des électrons sous l'effet de gradients de potentiel électrique. Ces considérations donnent des équations de temps de fonne logarithmique, inverse ou direct, cubique et parabolique pour la croissance des films. La base théorique la plus rigoureuse pour l'oxydation d'un métal est la croissance parabolique de l'oxyde basée sur la diffusion ambipolaire des réactifs par défauts ponctuels dans l'oxyde, interstitiels et lacunes. Dans plusieurs cas, des chemins de diffusion facHes dans les oxydes, joints de grain ou dislocations, fonnent des chemins de fuite dans les films et des courts-circuits dans la calamine. Plusieurs cas pour lesquels l'oxydation est controllée par des réactions en joints de phases amenant une cinétique linéaire sont étudiés.     

Effects of nitrogen and helium shielding mixtures on semiaustenitic stainless steel welds

Abstract

The effect of nitrogen-helium atmos pheres used as a shielding gas for welding of some semiaustenitic stainless steels was studied. Nitrogen, being a strong austenite stabilizer, has the tendency to suppress the amount of retained delta ferrite in the weldment. The addition of 1.0 per cent nitrogen by volume to the helium shielding gas increased the tensile strength of the weldment approximately 4000 psi to within about 1 per cent of the parent metal, and the ductility approximately 33 per cent to within 95 per cent of the parent metal.

The additions of nitrogen to the shielding gas significantly reduced the a mo unt of retained ferrite. However, increasing the nitrogen in excess of 1 per cent by volume drastically reduced the tensile strength and ductility. It is suggested that this reduction in strength and ductility is the result of pertinent alloying components being used up in the formation of nitrides.

Résumé

Les auteurs ont étudié 1'influence de mélanges d'hélium et d'azote utilisés comme gaz de couverture en soudage d'aciers inoxydables semi austénitiques. Stabilisateur puissant de 1'austénite, l'azote tend à diminuer la teneur en fer delta des soudures. En utilisant un gaz renferment 1% en volume d'azote, la résistance à la traction des éprouvettes accuse une augmentation de 4000 psi, la relevant ainsi jusqu'à un écart aussi petit que 1% de la résistance du métal de base; concomitamment, l'allongement s'améliore de 33% et ainsi s'approche jusqu'à 95% de l'allongement du métal de base. L'influence de l'azote, comme moyen de réduire la teneur en fer delta est significative. Toutefois, dès que la quantité d'azote dépasse 1% en volume, la résistance à la traction et l'allongement fléchissent considérablement. Les auteurs avancent que le fléchissement est le résultat de la fixation d'éléments d'alliage par l'azote.     

Influencing parameters on elastic modulus of steels

An optimised balance between weight and stiffness of a car component is achieved when the selected material exhibits an increased ratio between elastic modulus and density. The elastic modulus of steel decreases progressively with increasing temperature due to the thermal activation of lattice vibrations. Since the elastic modulus of metals is related to their lattice constants, austenitic steels are expected to exhibit higher elastic moduli than ferritic steels because of their higher packing density. However, the coupling of electron spin moments due to the ferromagnetic character of bcc steels results in higher elastic modulus of ferritic steels at temperatures below the Curie temperature. An increase in elastic modulus in selected loading directions can be realised by properly adjusted crystallographic textures. However, no examples were found where the maximum elastic modulus exceeds 225 GPa in bcc steels with pronounced crystallographic textures. Alloying elements decrease the elastic modulus with increasing alloying content. Known exceptions from this rule are the elements Re, Co and Cr. The elastic modulus of steel can be increased significantly by particles of high elastic modulus. Finally, it is reduced by plastic deformation because of the increased dislocation density. This negative effect can be balanced by subsequent heat treatments.

On obtient une balance optimisée entre le poids et la rigidité d′une piéce d′automobile lorsque le matériau choisi exhibe une augmentation du rapport entre le module d′élasticité et la densité. Le module d′élasticité de l′acier diminue progressivement avec l′augmentation de la température à cause de l′activation thermique des vibrations du réseau. Puisque le module d′élasticité des métaux est relié à leurs constantes de réseau, on s′attend à ce que les aciers austénitiques exhibent des modules d′élasticité plus élevés que ceux des aciers ferritiques parce qu′ils possédent une plus grande densité de tassement. Cependant, le couplage des moments du spin électronique, dû au caractére ferromagnétique des aciers bcc, résulte en un module d′élasticité plus élevé des aciers ferritiques à des températures plus basses que la température de Curie. On peut augmenter le module d′élasticité dans des directions choisies de charge en ajustant correctement les textures cristallographiques. Cependant, nous n′avons pas trouvé d′exemples où le module d′élasticité maximum excédait 225 GPa dans les aciers bcc ayant des textures cristallographiques prononcées. L′augmentation de la teneur en éléments d′alliage diminue le module d′élasticité. Les éléments Re, Co, et Cr font exception à cette règle. On peut augmenter significativement le module d′élasticité de l′acier à l′aide de particules à module d′élasticité élevé. Finalement, le module d′élasticité est réduit par déformation plastique à cause de l′augmentation de la densité de dislocation. On peut balancer cet effet négatif au moyen de traitements thermiques subséquents.     

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.     

The Influence of Thermofluids Phenomena in Gas Tungsten ARC Welds in High and Low Thermal Conductivity Metals

Abstract

A comprehensive thermofluids numerical model of stationary gas tungsten arc (GTA) welding has been developed and used to examine the effects of thermofluids phenomena on the temperatures and flow velocities in the weld pool and their impact on the resultant weld dimensions for welds produced in high vs low thermal conductivity metals. A dynamic grid re-mapping technique was used to map a block of finite elements into the liquid weld pool to permit use of a k-ε turbulence model in the liquid. Simulations for low conductivity AISI 304 stainless steel show that good correlation with experimental data was only possible if the effects of fluid flow and turbulent mixing in the weld pool were modeled accurately. Conversely, simulations in higher conductivity metals, 6061 and 1100 aluminum, showed that while the average flow velocities and level of turbulence were higher, their effect on the final temperatures and weld pool dimensions were less significant. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

On a développé et utilisé un modèle numérique détaillé de thermofluides du soudage stationnaire TIG (GTA) afin d'examiner les effets des phénomènes des thermofluides sur les températures et les vitesses d'écoulement dans le bain de fusion. On a aussi examiné leur impact sur les dimensions de la soudure qui en résulte pour des soudures produites avec des métaux à haute conductivité thermique par rapport a des metaux a basse conductivite. On a utilisé une technique dynamique de re-cadrage de grille pour délimiter un bloc d'éléments finis dans le bain de fusion liquide afin de permettre l'utilisation d'un modèle de turbulence k-ε dans le liquide. Les simulations avec AISI 304, un acier inoxydable à basse conductivité, montrent qu'une bonne correlation avec les données expérimentales est possible seulement si les effets de l'écoulement du fluide et de l'agitation turbulente dans le bain de fusion sont modèlises avec precision. Inversement, les simulations de métaux à conductivité plus éleveé, aluminium 6061 et 1100, ont montré qu'alors que les vitesses moyennes d'écoulement et le niveau de turbulence etaient plus élevés, leur effet sur les températures finales et sur les dimensions du bain de fusion était moins important. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Mathematical Model of Bubble Formation at the Tuyeres of a Copper Converter

Abstract

Based on earlier observations that gas discharges from the tuyeres of a non-ferrous converter as discrete bubbles, a mathematical model has been developed to describe the dynamics of bubble formation in copper converting. The bubbles have been assumed to be spherical in shape and to grow at the tuyere tip under conditions of constant flow. The model incorporates the effects of heat transfer to the bubble, chemical reaction between the bubble and the bath and co flowing bath circulation. The model has been used to predict the concentrations of O₂ and SO₂, temperature, volume and rise velocity for the bubble as a function of time, while imposition of a detachment condition has permitted the prediction of the bubble frequency. Thus it has been shown that the oxidation reactions have little effect on the bubble formation while convective heat transfer and bath circulation have a large influence. Bath velocity acts to increase the bubble frequency while heat transfer has the opposite effect. Depending on the value of the heat-transfer coefficient employed, the model predicts the velocity of bath circulation in the vicinity of the tuyere to be between 120 and 260 cm/s. For a given bath velocity, the bubble frequency decreases with increasing air input rate. The implications of these predictions for copper converting are discussed, and it is suggested that present converter operation may be “bubble-volume“ limited.

Résumé

En se fondant sur les observations anterieures que le gaz qui s' échappe des tuyères d'un convertisseur de métaux non-ferreux est sous forme de bulles séparées, nous avons développé un modèle mathématique pour décrire la dynamique de formation des bulles dans le convertissage du cuivre. Nous avons supposé que les bulles ont une forme sphérique et qu'elles croissent à l'extrémité de la tuyère dans des conditions d' écoulement constant. Le modèle incorpore les effets du transfert de chaleur à la bulle, de la réaction chimique entre la bulle et le bain, et la circulation du bain. Le modèle a été utilisé pour prédire les concentrations de O₂ et SO₂, la température, le volume et la vitesse de montee des bulles en fonction du temps, alors que l'introduction d'une condition de séparation a permis de prédire la fréquence des bulles. Ainsi nous avons montré que les réactions d'oxydation ont peu d'effet sur la formation des bulles alors que le transfert de chaleur par convection et la circulation du bain ont une grande influence. La vitesse du bain accroît la fréquence des bulles alors que le transfert de chaleur a l'effet opposé. Dépendant de la valeur du coefficient de transfert de chaleur employé le modèle predit que la vitesse de circulation du bain dans le voisinage de la tuyère est comprise entre 120 et 260 cm/s. Pour une vitesse donnée du bain, la fréquence des bulles décroît lorsque l'on augmente le taux d'arrivée d'air. Les implications de ces predictions pour le convertissage du cuivre sont discutées et nous suggérons que l'opération actuelle des convertisseurs pourrait être limitée par le volume des bulles.     

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.     

Study of drop motion in the mild steel-argon arc welding system

Abstract

High-speed cinephotography was used to investigate the mechanical characteristics of the free translational motion of molten metal drops as it occurs within the column of a mild steel-argon arc. The drops were found to undergo considerable acceleration across the arc gap before reaching a terminal velocity at the weld pool. The current intensity had a controlling effect on both quantities. The experimental results are analyzed on the basis of the existing drag theory whereby the high-velocity plasma jet exerts an entraining force on the metal drops. Reasonable correlation is obtained between the experimental values and the drag equation as adapted from hydromechanics.

Résumé

Les caractéristiques mécaniques du mouvement libre de translation des gouttes de métal liquide tel qu'il se produit dans un arc avec de l'acier doux sous argon, a été étudié par cinématographie rapide. Les goutellettes subissent une accélération considérable dans l'intervalle de l'arc avant d'atteindré une vitesse limite dans la zone de soudage. L'intensité du courant détermine ces deux facteurs. Les résultats expérimentaux sont analysés par la théorie du trainage par laquelle la grande vitesse du plasma exerce une force d'entraînement sur les gou tellettes de métal. Une corrélation raisonnable est obtenue entre les valeurs expérimentales et celles données par la théorie du traîage telle qu'adaptée de l'hydro-mécanique.     

The kinetics of reaction of zinc metal with selenium vapour

Abstract

The kinetics of reaction of coupons of zinc with selenium vapour have been investigated by the thermogravimetric technique at temperatures between 350 and 415°C and at selenium pressures between 0.05 and 0.8 Torr. Cubic zinc selenide (ZnSe) was the only reaction product observed under all experimental conditions. The selenization kinetics were essentially parabolic, although at higher temperatures initially linear reactions were sometimes observed. The apparent activation energy for the selenization of zinc metal was in the range 24 to 32 kcal/mole. The selenization rate varied inversely as the square root of the selenium pressure. It is postulated that the rate-controlling step of the selenization reaction is the outward diffusion of neutral zinc interstitials through a constantly thickening zinc selenide reaction scale.

Résumé

On a étudié la cinétique de la réaction entre des plaques de zinc et la vapeur de sélénium par la méthode de thermogravimétrie dans une gamme de température et de pression de sélénium comprise entre 350 et 415°C et 0.05 et 0.8 Torr. respectivement. Le séléniure de zinc de malie cubique (ZnSe) était Ie seul produit de la réaction obtenu dans toutes les conditions expérimentales. La cinétique de séléniuration était essentiellement de forme parabolique, bien qu'on ait observé parfois aux températures plus élevées des réactions initialement linéaires. L' énergie apparente d'activation pour la séléniuration du zinc métallique était comprise dans une gamme variant entre 24 et 32 kcal/mol. La vitesse de la séléniuration était inversement proportionnelle à la racine carrée de la pression du sélénium. On suggére que l' étape déterminante de la vitesse de reaction soit la diffusion vers l'extérieuI des interstitiels de zinc électriquement neuters à travers une couche de séléniure de zinc qui s'épaissit constamment.