Measurement and Modeling of Heat Transfer Across Interfacial Mold Flux Layers

Abstract

Surface quality problems in continuous cast steel are greatly affected by heat transfer across the interfacial layers in the gap between the solidifying steel shell and the mold. An experimental apparatus has been constructed to measure temperatures in the steel, mold flux layers, and copper under conditions approximating those in continuous casting. The flux solidified in multiple layers similar to those observed from continuous casting molds and contained many gas bubbles. Flux conductivities average about 1.0 Wm K and appear to evolve with time. Contact resistances at both interfaces are significant and average about 0.0015 m². KW. Flux crystallization appears to be the only significant effect of flux composition. The one glassy flux tested had much greater thermal conductivities, presumably due to radiation transport. Temperature and gap thickness had a negligible effect on the properties. These properties depend on the model used to extract them. They are being implemented into a mathematical model to simulate heat transfer in the mold, interface, and solidifying shell of a continuous slab-casting machine. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Les problèmes de qualité de surface de l'acier de coulée continue sont grandement affectés parle transfert de chaleur à travers les couches interfaciales dans l'intervalle entre la gaine d'acier en train de se solidifier et le moule. On a construit un appareil expérimental afin de mesurer la température de l'acier, des couches d'écoulement du moule et du cuivre sous des conditions appro chant celles de la coulée continue. L'écoulement s'est solidifié en couches multiples similaires à celles observees dans les moules de coulée continue et celles-ci contenaient plusieurs bulles de gaz. La moyenne de conductivité de l'écoulement est d'environ 1.0 Wm K et semble évoluer avec le temps. La résistance de contact aux deux interfaces est importante et atteint en moyenne environ 0.0015 m².kw. La cristallisation de l'écoulement parait etre le seul effet important de la composition du flux. Le seul écoulement vitreux évalué avait une conductivité thermique beaucoup plus élevée, vraisemblablement dil au transport parradiation. La température et la largeur de l'intervalle avaient un effet négligeable sur les propriétés. Ces propriétés dépendent du modèle utilisé pour les extraire. On est en train de les développer en un modéle mathématique afin de simuler le transfert de chaleur dans le moule, à l'interface et dans la gaine de solidification d'un appareil de coulée continue de brame. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy.Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

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.     

Design of continuous casting machines based on a heat-flow analysis: state-of-the-art review

Abstract

The design of the mould and spray sections of a continuous casting machine for steel has been examined in detail with the aid of a heat-flow mathematical model. The thermal requirements that the design must meet have been established using Experimental data obtained from commercial continuous-casting machines. For the mould, the requirement is the solidification of a sufficiently thick shell; for the sprays, the requirements are the minimization of surface reheating and the maintenance of a reasonably high solidification rate. Correlations are developed which relate the working mould length, casting speed and shell thickness at the mould exit. Design curves are also presented of spray length, spray heat transfer. coefficient and water flux distributions for two sizes of billets. The method by which the theoretical spray water flux distribution can be related to practical spray parameters — spray pressure, nozzle type and arrangement — is also discussed.

Résumé

On a étudié en detail, à l'aide d'un modèle mathématique de l' écoulement de chaleur, la conception du moule et des sections de refroidissement d'une machine de coulée continue pour l'acier. Les exigences thermiques à rencontrer ont été fixées à l'aide de données expérimentales provenant de machines industrielles. Pour Ie moule, l'exigence est la formation d'une carapace solide suffisamment épaisse alors que pour les jets l'exigence consiste en un réchauffement minimal de la surface et le maintien d'un taux de solidification assez élevé. On a développé des corrélations qui relient la longueur effective du maule, le taux de coulée, et l'epaisseur de la carapace à la sortie du moule. L'article inclut des courbes permettant d' établir la longueur de la zone des jets, leur coefficient de transmission de chaleur et les distributions de débit d'eau pour deux dimensions de billettes. Finalement, on discute de la méthode pour relier la distribution du débit théorique d'eau aux paramètres pratiques des jets (pression d'eau aux jets, type et configuration des gicleurs).     

Computational Fluid Dynamics Applied to Twin-Roll Casting

Abstract

Near-net-shape casting technology is one of the most important research areas in the iron and steel industry today. Driving forces for the development of this technology include a reduction in the number of operations needed for conventionally produced strip. This is especially true of hot rolling operations. The consequent reduction in investment costs, when considering new industrial facilities, makes near-net-shape casting operations extremely attractive from a commercial standpoint.

Various processes for near-net-shape casting of steel are currently being developed around the world. Of these processes, the twin-roll casting machines represent a major area of concentration. We believe that one of the main issues concerning the design of twin-roll casters is the metal delivery system and its effects on the homogeneity of solid shell formation, segregation and surface quality.

In the present work, computational fluid dynamics has been used to study different metal delivery systems for twin-roll casting. The METFLO code has been adapted to simulate three dimensional turbulent fluid flow, heat transfer and solidification in this type of machine. The enthalpy-porosity technique was used to couple fluid flow and solidification phenomena. Two configurations for metal delivery system have been studied to date, one is a conventional tubular nozzle with horizontal outlets in the directions of the side dams. The other is a slot nozzle with a vertical inlet stream.

These simulations have been applied to a pilot caster being studied in Canada, with a roll radius of 0.30 m, producing steel strips with thicknesses ranging from 4 to 7 mm, at relatively low roll speeds ranging between 4 and 12 m/min. Different positions and penetrations of the nozzles in the liquid pool have also been analysed. It has been shown that the tubular nozzle leads to the formation of a solid shell that is thicker at the centre of the caster. The slot nozzle gives a more uniform thickness of the solid shell along the roll width. In both configurations, a thicker solid shell is formed close to the roll edges, due to the presence of the side dams.

It has also been demonstrated that the slot nozzle gives lower levels of turbulence at the free surface, which can have positive effects on the product quality. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La technologié de coulage de forme présque prete est l'un des domaines de recherche les plus importants de l'industrie du fer et de l'acier d'aujourd'hui. Les forces d'éntrainement du developpement de cette technologie incluent une réduction du nombre d'opérations requises pour les bandes produites conventionnellement. Ceci est spécialement vrai des opérations de laminage à chaud. La réduction conséquente du cout d'investissement, lorsque l'on considère de nouvelles installations industrielles, rend les operations de coulage de forme presque prete extremement attirantes du point de vue commercial.

Différents procédés de coulage de l'acier de forme presque prete sont couramment en développement à travers le monde. Parmi ces procedes, les machines de coulage à rouleaux jumelés en représentent un domaine important de concentration. Nous croyons que l'un des principaux sujets concernant la conceptualisation de machines de coulage a rouleaux jumeles est le systeme de decharge du metal et son effet sur l'homogeneite de la formation de l'enveloppe solide, sur la segregation et sur la qualite de la surface.

Dans le présent travail, on a utilisé la dynamique des fluides par ordinateur pour étudier les differents systèmes de décharge du métal du coulage a rouleauxjumeles. On a adapte le code METFLO pour simuler l'ecoulement de fluide turbulent a trois dimensions, le transfert de chaleur et la solidification, dans cette sorte de machine. On a utilise la technique enthalpie-porosite pour coupler les phenomenes d'ecoulement de fluide et de solidification. À date, on a étudié deux configurations du système de décharge du métal. L'une d'entre elles est unjet tubulaire conve ntionnel avec sorties horizontales dans la direction des barrages latéraux. L'autre est un jet a fente avec un jet d'entrée vertical.

On a appliqué ces simulations à une machine de coulage pilote à l'étude au Canada, avec un rayon du rouleau de 0.30 m, produisant des bandes d'acier d'une épaisseur variant entre 4 et 7 mm, à des vitesses relativement basses des rouleaux, entre 4 et 12m/min. On a aussi analysé différentes positions et pénétrations des jets dans le bain liquide. On a montré que lejet tubulaire conduit à la formation d'une enveloppe solide qui est plus épaisse au centre de la machine à couler. Le jet à fente donne une epaisseur plus uniforme de l'enveloppe solide tout au long de la largeur du rouleau. Dans les deux configurations, une enveloppe solide plus epaisse se forme pres du bord des rouleaux, dl1it la presence des barrages lateraux.

On a aussi demontre que Iejet a fente donne de plus faibles niveaux de turbulence à la surface libre, ce qui peut avoir des effets positifs sur la qualité du produit. © 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.     

Desorption of dissolved gases from liquid metals into rising bubbles — rates of bubble growth

Abstract

A model describing rates of growth during mass transfer has been extended to include experimental and analytical mass transfer coefficients, rising velocities and bubble areas which are expressed as power functions of bubble volume.

Calculations using the model have been performed for carbon monoxide and hydrogen evolution from molten steel.

Size of nucleation of CO bubbles is shown to have only small influence on the final volume of bubbles rising through 36 and 72 cm of steel. Efficiency of inert gas during the purging of hydrogen (5 ppm) from steel under atmospheric pressure conditions is shown to be only slightly affected by the size of the injected bubbles. Efficiency of purge gas is increased by the application of vacuum, and under these conditions the size of the injected bubble becomes important.

Résumé

Un modèle décrivant la loi de croissance des bulles gazeuses durant un transfert de masse a été étendu de façon a tenir compte des coefficients expérimentaux et théoriques de transfer de masse ainsi que des vitesses de dégagement et des surfaces des bulles. ces variables sont exprimées en fonction du volume des bulles.

Le modèle a été appliqué au dégagement du monoxyde de carbone et de l'hydrogéne dans l'acier fondue.

Il a été montré que la taille de nucléation des bulles de Co n'a qu'une faible influence sur le volume final des bulles traversant un colonne d'acier fondu de 36 ou 72 cm.

Sous conditions de pression atmosphérique normale, il a été montré que l'efficacité d'un gaz inerte dans l'extraction de l'hydrogène de l'acier (5 ppm) n'est que légèreinent affecte par la taille des bulles injectees.

Sous vide, l'efficacité du gaz entraineur est accrue et la taille des bulles injectées devient importante.     

Modeling of Transient Flow Phenomena in Continuous Casting of Steel

Abstract

This paper describes initial efforts to develop and apply 3D finite-difference models to simulate transient flow in the mold. These transient flow phenomena include flow pattern oscillations caused by sudden changes in nozzle inlet conditions and rapid fluctuations in the molten steel/flux interface level at the top surface of the mold. The flow model incorporates interactions with other transport phenomena, including turbulence, superheat removal and argon gas bubble injection. Predictions are shown for the oscillatory evolution of the flow pattern from biased steady flow to symmetrical steady flow after a sudden change in inlet conditions. In addition, the predicted turbulent kinetic energy levels at steady state are shown to correlate with measured surface level fluctuations. The effect of processing conditions are consistent with experimental findings. Without argon, the greatest level fluctuations are found near the narrow face, while increased argon moves the maximum towards the center. Fluctuations decrease with deeper submergence and lower casting speed. These transient phenomena are important because they may lead to defects in the final steel product from entrainment of slag, disruption of solidification at the meniscus and non-uniform heat transfer. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Ce document décrit les éfforts initiaux de déveoppement et d'application de modèles aux différences finies en 3D à la simulation de l'écoulement transitoire dan le moulé. Ces phénoménés d'écoulement transitoiré incluent les oscillations du patron d'écoulement causées par des changements de conditions de la tuyere d'entrée ainsi que les fluctuations rapides du niveau de l'interface acier fondu/écoulement à la face superiéure du moulé. Le modéle d'écoulement incorpore des interactions avec d'autres phénoménés de transport, incluant la turbulénce, l'énlevement de la surchauffé et l'injection de bulle de gas d'argon. On predit l'evolution oscillatoire du patron d'écoulement, allant d'un écoulement permanént biaise à un écoulement permanent symétrique, après un changement soudain des conditions d'entrée. En plus, on montré que les niveaux predits d'energie cinetiqué turbulente en regime permanent sont correles avec les valeurs mesurées de fluctuations du niveau de la surface. L'effet des conditions du traitement est consistant avec les données experimentales. San argon, le niveau le plus élevé de fluctuations se situe prés de la face etroité alors que l'augmentation d'argon deplace le maximum vers le centre. Les fluctuations diminuent avec une immersion plus profonde et une vitesse de moulage plus lente. Ces phénoménés transitoires sont importants parce qu'ils peuvent conduire à des defauts dan le produit final en acier par entrainement de scories, par derangemént de la solidification au menisqué et par transfert de chaleur non uniforme. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Computational Modelling of Heat/Mass Transfer Near the Liquid-Solid Interface During Rapid Solidification of Binary Metal Alloys Under Laser Treatment

Abstract

This paper presents the results of an investigation into the problem of planar solid-liquid interface stability during rapid solidification of binary metal alloys under laser treatment. A new quantitative model is proposed. This model describes the self-organized development of stable spatially-periodic vortices in the melt near the solid-liquid interface due to concentration- (or thermal) capillary effects) together with effects due to the influence of normal concentration or temperature gradients directed from the interface towards the melt. These vortices give rise to a cellular structure at the solid-liquid interface of rapidly frozen melts.

A computer code was developed to solve the set of second-order linear differential equations which describe heat and mass transfer at the liquid-solid interface. This model allows calculation of the liquid phase velocity field, the second component concentration field in the melt, as well as the temperature field in the liquid and solid phases near the solid-liquid interface at a given solidification rate. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Ce document presenté les résultats de l'etude du problème de stabilité de l'interface solide-liquide plane lors de la solidification rapide d'alliages metalliques binaires par traitement au laser. On propose un nouveau modèle quantitatif. Ce modele decrit le développement auto-organisé de tourbillons stables,périodiques dans l'espace, dans le bain fondu près de l'interface solide-liquide. Ces tourbillons sont dus aux effets1 capillaires de concentration (ou thermiques) ainsi qu'à l'influence de la concentration normale ou des gradients de températures diriges de l'interface vers le bain fondu. Ces tourbillons donnent naissance à une structure cellulaire a l'interface solide-liquide des bains fondus rapidément solidifiés.

On a développé un code d'ordinateur pour resoudre l'ensemble d'equations differentielles lineaires de second ordre qui decrivent le transfert de chaleur et de masse à l'interface liquide-solide. Ce modèle permet le calcul du champ de vitesse de la phase liquide, du champ de concentration de la seconde composante dans le bain fondu, ainsi que du champ de temperature dans la phase liquide et la phase solide près de l'interface solide-liquide, à un taux donné de solidification. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Aluminium scrap melting under different liquid aluminium flow conditions: part-I: single phase flow

The melting characteristics of aluminium (Al) scrap were studied in a pilot-scale revolving liquid metal tank (RLMT) which sits in a resistance furnace. Commercially pure Al of about 39?kg was melted in the RLMT. Experiments were carried out in a stagnant and in a revolving Al bath at different liquid metal temperatures and speeds. Cylindrical Al 6061 alloy samples were used in this experimental work. Their melting time inside the Al bath was recorded with a specially designed electrical circuit. Upon immersion of a cold cylindrical sample into liquid Al, a shell solidifies around the specimen and subsequently melts back. The time during which the shell exists around the cylinder is called shell period. The free melting period commences when the shell period ends. The thermal contact resistance (TCR) at the Al shell/cylinder interface affects how long the shell lasts. A methodology was developed to estimate this TCR. The convective heat flux from the Al bath to the cylindrical specimen influences the shell and free melting periods, and is a function of liquid Al temperature and speed. The Part I of this research work presents a baseline of Al melting measurements under single phase flow conditions, that will be compared against two phase flow conditions in Part II of this research.

On a étudié les caractéristiques de fusion de rebut d’aluminium (Al) à l’échelle pilote dans une citerne rotative de métal liquide (RLMT), située dans un four à résistance. On a fait fondre dans la RLMT environ 39?kg d’Al commercialement pur. On a effectué les expériences dans un bain stagnant ou dans un bain rotatif d’Al à diverses températures et à diverses vitesses du métal liquide. Dans ce travail expérimental, on a utilisé des échantillons cylindriques d’alliage d’Al 6061. On a enregistré leur temps de fusion dans le bain d’Al au moyen d’un circuit électrique spécialement conçu. Au moment de l’immersion d’un échantillon cylindrique froid dans l’Al liquide, une coquille se solidifie autour de l’échantillon et subséquemment, fond à son tour. La période durant laquelle la coquille existe autour du cylindre s'appelle la période de coquille. La période de fonte libre commence quand la période de coquille se termine. La résistance du contact thermique à l’interface coquille et cylindre d’Al affecte la durée de vie de la coquille. On a développé une méthodologie pour estimer cette résistance du contact thermique. Le flux de chaleur par convection du bain d’Al à l’échantillon cylindrique influence les périodes de coquille et de fonte libre, et il est une fonction de la température et de la vitesse de l’Al liquide. La première partie de ce travail de recherche présente une ligne de base des mesures de fusion de l’Al sous des conditions d’écoulement monophasé, qui sera comparée à des conditions d’écoulement biphasé dans la deuxième partie.     

Liquid Steel Transfer — The Delivery of Quality

Abstract

During recent years, in parallel with developments in high-speed casting, there have been increasing demands for improved steel quality. These demands are being met by advances in our knowledge of the chemical, physical and thermal interactions between steel, gas, slag and refractory phases which take place within individual reactors as well as during transfer operations. Transfer operations must be precisely controlled, otherwise they become destroyers of quality, and quality achieved within one reactor can be lost during transfer to the next. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Au cours des dernières années, en parallèle avec 1es développements de la coulée haute vitesse, il y a eu une demande croissante de l'amélioration de la qualité de l'acier. On satisfait à ces demandes par l'avancement de notre connaissance des interactions chimiques, physiques et thermiques entre les phases d'acier, de gaz, de scories et de ráfractaires qui se produisent à l'interieur des récteurs individuels aussi bien que lors des opérations de transfert. On doit controler précisément les opérations de transfert, autrement elles deviennent des destructrices de qualité. En eilet, la qualité obtenue à l'intérieur d'un réacteur peut etre perdue lors du transfert vers le réacteur suivant. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved     

Some Aspects of Thermal Analysis and Technology Upgrading in Steel Continuous Casting

Abstract

This paper is focused on several aspects of steel continuous casting, pursuing an aim to develop a general approach to technology optimization for securing internal quality of cast steel in small-section strand casting. The study was based on a computer simulation of steel solidification in a caster, utilizing experiment-based verification of computer modeling. Problems discussed include the computation of the shrinkagejcontraction of steel, and the development of optimized operation for the final electromagnetic stirring of melt, as well as the soft reduction of cast strand at the final stage of solidification. Development of optimal operational patterns for bloom casting of high-C steel at the China Steel Corporation exemplifies the approach discussed. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Ce document touche plusieurs aspects de 1a coulée continue de l'acier, avec pour but de déve1opper une approche générale d'optimisation de la technologie. On veut ainsi s'assurer de la qualité interne de l'acier coulé par un appareil à ligne de petite section. L'étude etait basee sur la simulation par ordinateur de 1a solidification de l'acier d'un appareil de coulée, avec véreification, basée sur les expériences, de la modélisation par ordinateur. Les problèmes discutés incluent le calcul du rétrécissement/contraction de l'acier anisi que le développment de l'operation optimisée d'agitation électromagnétique finale du bain fondu et de réduction dounce da la ligne de coulée it l'étape finale de solidification. Le developpement de patrons operationnels optimaux du coulage de lingot d'acier à C élevé à la “China Steel Corporation”, fournit un exemple de l'approche discutée. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Evolution of Microstructures and Product Opportunities in Low Carbon Steel Strip Casting

Abstract

One of the greatest challenges in the direct casting of low carbon steel strip is the production of material with mechanical properties similar to those obtained via conventional strip production routes. A fundamental understanding of the microstructure evolution from solidification through to the final product is of critical importance in this endeavour. Experimental work was carried out using a special apparatus to establish links between heat transfer, nucleation, solidification, strip microstructures and mechanical properties. This information was used in conjunction with the actual microstructures and properties of strip obtained from a full scale development plant to define the breadth of product opportunities possible from the direct casting of low carbon steel strip.

L'un des plus grands défis de la coulée en moule de fonte de feuillard d'acier à faible carbone est la production de matériel ayant des propriétés mécaniques similaires à celles obtenues par l'intermédiaire des routes conventionnelles de production de feuillard. Une compréhension fondamentale de l'évolution de la microstructure depuis la solidification jusqu'au produit final est d'une importance critique dans cet effort. On a entrepris le travail expérimental en utilisant un appareil spécial afin d'établir des liens entre le transfert de chaleur, la nucléation, la solidification, les microstructures du feuillard et les propriétés mécaniques. On a ensuite utilisé cette information en conjonction avec les microstructures et les propriétés actuelles de feuillards obtenus d'une usine de développement à pleine échelle afin de définir l'ampleur des possibilités de produits obtenus à partir de la coulée en moule de fonte de feuillard d'acier à faible carbone.     

Control of Inclusion Characteristics in Direct Cast Steel Billets

Abstract

Two main criteria are used to characterize steel cleanliness. First the number and size of inclusions must be at the minimum level achievable with state-of-the-art steelmaking and casting equipment and procedures. Second the remaining small inclusions must have a chemical composition suitable for the steel application. In high carbon steel destined for wire drawing, inclusions need to be as deformable as possible.

In this paper the inclusion behavior during hot rolling continuously cast (c.c.) billets to wire rods is reviewed. The relationship between inclusion deformability and composition was investigated at the laboratory scale and the results were applied to the control of cleanliness in c.c. billets. Production parameters affecting steel cleanliness are discussed. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Deux critères sont principalement utilisés pour caractériser la propreté d'un acier. Tout d'abord le nombre et la taille des inclusions doivent etre réduits au minimum possible en utilisant les techniques de pointe de production et de coulee de l'acier. De plus, les inclusions de petite taille demeurant dans l'acier doivent avoir une composition sur mesure compte tenu de l'application de l'acier. Dans les aciers haut carbone utilisés pour le tréfilage, les inclusions doivent etre trés dèformables.

Dans cet article, le comportement des inclusions au cours du laminage a chaud de billettes de coulée continue est revu. Les résultats d'une étude sur la relation entre la composition des inclusions et leur déformabilité y sont présentés. Enfin, l'effet de differents paramètres de production de l'acier sur le contenuen inclusions est discute. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Vacuum desulphurization of molten nickel

Abstract

A mass transfer model has been developed that describes the vacuum desulphurization of molten nickel. The basis of this model is simultaneous transport of dissolved sulphur and oxygen to the gasmelt reaction interface and elimination as sulphur dioxide. The main feature of this model is its accurate prediction of the dependence of the process kinetics on the oxygen content of the melts. This model successfully expains the post-boil desulphurization behaviour of 40 Kg and 120 Kg laboratory nickel melts over the whole range of sulphur and oxygen concentrations measured. The kinetic parameters thus determined were successfully used to predict the post-boil desulphurization behaviour of 5 and 15 tort nickel melts refined in commercial units.

Résumé

Nous avons dévelopé un modèle basé sur la théorie du transfert de masse pour décrire la vitesse de désulphuration du nickel liquide sous vide. L'essence de ce modèle est Ie transfert simultané du soufre et de l'oxygène en solution vers l'interface de réaction gaz-liquide et leur élimination sous forme gazeuse en tant que SO₂. Ce modèle predit avec précision les variations des vitesses de réaction en fonction de la concentration d'oxygene dans le metal liquide.

Nous avons utilisé ce modèle pour expliquer avec grand succés les caracteristiques de la desulphuration de bains de 40 et 120 Kg rafinés dans notre laboratoire. Le modéle peut être appliqué à tous les in tervalles de concentrations en soufre et en oxygène qui ont été traitées.

Les coefficients de cinétique chimique que nous avons obtenus de cette façon ont peut être utilises pour prédire les vitesses de désulphuration de bains de 5 et 15 tonnes rafinés dans nos usines de production d'acier inoxidable.     

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.     

The determination of oxygen activity in liquid steel and the practical use of these values to control deoxidation

Abstract

The application of a galvanic oxygen-concentration cell to measure dissolved oxygen content in molten steel has been investigated using Leigh Instruments’ Oxygen Probe. Data collected on 65 BOF heats (0.12% max. carbon) were processed for multiple correlation analysis on Algoma Steels IBM 1150 computer. Nomographs, to predict the oxygen concentrations in liquid steel before tap, were constructed on the basis of regression equations developed from multiple analysis. Results show that oxygen concentrations in low carbon steels (0.12% max. carbon), determined with the help of these nomographs, are within less than 10% of the true oxygen values obtained by using oxygen probe measurements.

Oxygen values determined before tap are later used as a basis for etermining ladle aluminum requirements for low-carbon, aluminum-killed (L.C.A.K.) BOF steels. Another nomograph is constructed from which the quantity of aluminum to be added to the ladle can be directly read. Results show that the per cent frequency in meeting aim aluminum ranges for these heats has nearly doubled since the nomograph has been used in production. Considerable savings in aluminum consumption have also been reported, together with a sizable reduction in the diversion rate for L.C.A.K. steel.

Résumé

L'applicabilite d'une sonde à oxygène pour mesurer l'oxygène dissout dans l'acier liquide a été appréciée en utilisant une sonde à oxygène de Leigh Instruments. Les données recueillies sur 65 charges de convertisseur à oxygené (0.12% max. de carbone) ont été analysées par corrélations multiples, sur calculateur IBM 1150 de l'Algoma. Les nomogrammes, pour prédire la concentration d'oxygéne dans l'acier liquide avant la coulée, ont été construits à partir des équations de régression obtenues après analyse statistique des résu1tats. Les résultats subséquemment obtenus de ces nomogrammes montrent que les concentrations en oxygène pour les aciers à bas carbone (0.12% max. de carbone) ne diffèrent pas de plus de 10% des valeurs obtenues par mesure directe de l'oxygene avec la sonde à oxygéne.

Les valeurs d'oxygène ainsi obtenues avant la coulée sont par la suite utilisées pour déterminer les quantités d'aluminium dans la poche de coulée a ajouter pour ces aciers de convertisseur à oxygène à bas carbone calmés a l'aluminium. Un autre nomogramme a été construit a partir duquel on peut lire directement la quantité d'aluminium, a ajouter dans la poche de coulée. Les résultats démontrent que depuis que ce nomogramme a été utilisé en production, le pourcentage de fois que la quantité d'aluminium nécessaire ajouté s'est avéré exacte a presque doublé. Ses économies substantielles dans la consommation d'aluminium ont été ainsi enregistrées ainsi qu'une réduction appréciable de différence dans les nuances de ces aciers à bas carbone, calmé à l'aluminium.     

The Effect of Burner Orientation on the Convective Heat Transfer Rate in a Round Furnace

Abstract

Top-charged round furnaces are advantageously used for remelting aluminium scrap of various size and shape. There are no detailed data available about the effect of the number and orientation of burners on the heat transfer between flame and charge. It has been generally assumed that a rotational flow pattern improves the uniformity of residence time and intensifies heat transfer. The effect of burner orientation on the flow pattern and residence time was analyzed earlier in several cold flow studies. The so-called heated skin technique was also developed to determine the convective heat transfer coefficients. This paper presents the results of an analysis aimed at determining the influence of changing the tangential velocity component in the furnace systematically. The average heat transfer coefficients along the horizontal surface of the molten metal bath are presented in dimensionless form. The burner angle settings varied from the radial-centerward pattern (0 degree) to 15degrees. The average Nusselt number data are correlated with the flow pattern observations and velocity profile measurements. © 1998Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Les fourneaux ronds chargés par le haut sont utilisés avantageusement pour la refonte des rebuts d'aluminium de toute taille et forme. Il n'y a pas de données détaillées disponibles sur l'effet du nombre et de l'orientation des bruleurs sue le transfert de chaleur entre la flamme et la charge. On assume en général qu'un patron d'écoulement rotatoire améliore I'uniformité du temps de résidence et intensifie le transfert de chaleur. L'effet de l'orientation du bruleur sur le patron d'ecoulement et le temps de residence a ete analyse plus tot dans plusieurs etudes d'ecoulement froid. On a aussi développé la technique appelée de l'enveloppe chauffée pour déterminer les coefficients de transfert de chaleur par convection. Ce document présente les résultats d'une analyse visant a determiner systématiquement l'influence dans le fourneau du changement de la composante tangentielle de la vélocité. On présente sous forme sans dimension les coefficients moyens de transfert de chaleur au long de la surface horizontale du bain de métal fondu. L'ajustement de l'angle du bruleur variait d'un patron radial-centre (0 degré) a 15 degres. Les données moyennes du nombre de Nusselt sont correlees avec les observations du patron d'ecoulement et les mesures de profil de vitesse. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

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.     

A 3-D Numerical Prediction of Turbulent Flow,Heat Transfer and Solidification in a Continuous Slab Caster for Steel

Abstract

This study describes the numerical modeling of three-dimensional coupled turbulent flow, heat transfer, and solidification in a continuous slab caster for stainless steel. The model uses generalized transport equations which are applicable to the liquid, mushy and solid regions within the caster. The turbulent characteristics in the melt pool and mushy region are accounted for using the low-Reynolds number k–ε turbulence model by Launder and Sharma. This version of the low-Reynolds number turbulence model is found to be more easily adaptable to the coupled flow and mushy region solidification caster problem compared to the standard high-Reynolds number and other low-Reynolds number turbulence models. The macroscopic solidification process itself is based on the enthalpy-porosity scheme. The governing transport equations are solved employing the primitive variables and using the control volume based finite-difference scheme on a staggered grid. The process variables considered are the casting speed and the inlet superheat of the melt. The effects of these process variables on the velocity and temperature distributions and on the extent of the solidification and mushy regions are reported and discussed. The numerical predictions of solidification profile are compared with the limited experimental data available in the literature, and very good agreement was found. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Cette étude decrit la modélisation numerique de l'écoulement turbulent couple, à trois dimensions, du transfert de chaleur et de la solidification, lors du coulage en continu de dallé d'acier inoxydable. Le modéle utilisé des equations generalisées de transport qui sont applicables aux regions liquides, pateuses et solides à l'interieur de l'equipement de coulage. On tient compte des caractéristiques turbulentes du bain fondu et de la région pateuse en utilisant le modéle de turbulence a petit nombre de Reynolds k–ε, de Launder et Sharma. Cette version du modèle de turbulence à petit nombre de Reynolds est plus facilement adaptable à l'écoulement couple et la solidification de la région pateuse du problème de coulage que la version utilisant un nombre de Reynolds normal, élevé, ou que d'autrés modèles de turbulence à petit nombre de Reynolds. Le procédé meme de solidification macroscopiqué est base sur la combinaison enthalpié-porosite. On resout les équations de transport qui gouvernent en employant les variables primitives et enutilisant la mèthode des différences finies basée sur le volume de contrôle, sur une grille alterne. Les variables considerées dans ce procédé sont la vitesse de coulage et la surchauffe du liquide a l'entrée. On rapporte et discute de l'effet de ces variables du procédé sur la distribution de velocité et de température et sur l'étendue des régions solides et pateuses. On compare les prédictions numériqués du profil de solidification avec les données expérimentales limitées disponibles dans la litterature et on trouvé une très bonne concordance. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

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

Abstract

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

Résumé

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