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.     

A FIRST PRINCIPLE SIMULATOR OF AN IRON OXIDE PELLET INDURATION FURNACE – AN APPLICATION TO OPTIMAL TUNING

Abstract

First principle models are useful tools to increase the comprehension of complex processes such as the hematite pellet induration furnace that is simulated in this study. The first principle model of the furnace integrates heat transfer phenomena between the solids and the gas, mass transfer phenomena due to the pellet drying, coke combustion, carbonate decomposition, magnetite oxidation, gas flow phenomena in the pellet bed and piping system as well as pellet sintering mechanisms. A steady state simulator was constructed that generates gas and pellet temperatures in the pellet bed and gas flow rates and pressures in the different zones of the furnace. The simulator also calculates the statistical distribution of the sintered pellet mechanical properties. The simulator capabilities are illustrated by several optimization tests using different performance criteria and constraints. These simulation tests help to generate furnace operating guidelines to select air flow and fuel distributions inside the furnace as well as the grate speed and the bed height.

Les modèles phénoménologiques sont des outils puissants pour la compréhension des procédés à comportements complexes comme le four de frittage de boulettes d’hématite qui fait l’objet de cette étude de simulation. Le modèle décrit les phénomènes de transfert de chaleur entre le gaz et les solides, les phénomènes de transfert de masse se produisant dans les réactions chimiques comme le séchage, la combustion du coke, la calcination des fondants, l’oxydation de la magnétite, les phénomènes d’écoulement des gaz dans les tuyauteries et à travers le lit de boulettes, et enfin les phénomènes de frittage. Un simulateur est construit permettant de simuler les régimes stationnaires de fonctionnement du four et donc de générer les températures et pression du gaz ainsi que les températures des boulettes en tout point du lit de boulettes. Le simulateur génère aussi la distribution de la résistance en compression des boulettes frittées. L’utilisation du simulateur est illustrée succinctement pour aider à la conduite de l’opération, déterminer les goulots d’étranglement limitant son fonctionnement et rechercher un réglage optimal du four pour différents critères de performance contraints.     

Decarburization of iron-carbon alloys by argon-oxygen mixtures

Abstract

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

Résumé

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

Modeling of Casting Solidification Stochastic or Deterministic?

Abstract

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

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

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

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

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

Résumé

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

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

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

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

Texture and anisotropy of zirconium in relation to plastic deformation

Abstract

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

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

Résumé

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

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

Determination of oxygen activities in iron-vanadium alloys by a levitation melting procedure

Abstract

The effect of vanadium on the activity of oxygen in liquid iron has been determined by a new method based on levitation melting. With water-vapour/hydrogen mixtures to control the oxygen potential of the gas phase, thermal diffusion effects caused uncertainty in the actual gas composition at the droplet interface. For this reason the data have not been used to determine equilibrium constants directly although it has been shown that they can be evaluated by conducting experiments with the addition of an inert gas to change the mean molecular weight of the gas mixture. By expressing the data in terms of an apparent equilibrium ratio vanadium-oxygen interaction parameters have been calculated for temperatures between 1550° and 1750°C. The results agree well with data obtained from crucible experiments where thermal diffusion effects were eliminated by bubbling the gas through the melt.

Résumé

L'effet de vanadium sur l'activite de l'oxygéne dans le fer liquide a été déterminé en utilisant une nouvelle méthode fondée sur la lévitation électromagnetique du spécimen en fusion. Le potentiel d'oxygène de la phase gazeuse a été contrôlé au moyen de mélanges de vapeur d'eau et d'hydrogene. Les auteurs n'ont pas déterminé les constantes d'équilibre vu l'existence du phénomène de diffusion thermique qui introduisait une incertitude quant à la composition du mélange gazeux à l'interface du spécimen. Ces constants pourraient être déterminées au moyen de manipulations qui consisteraient à faire varier le poids moléculaire moyen du mélange gazeux par addition d'un gaz inerte. Les paramètres d'interaction entre le vanadium et l'oxygène ont été calculés pour des températures variant de 1550°C a 1750°C en exprimant les données en fonction d'une constante apparente d'équilibre. Les résultats sont en bon accord avec les résultats obtenus à partir de manipulations utilisant des creusets où la diffusion thermique avait été éliminée en faisant passer le mélange gazeux à travers le bain.     

Fatigue Maps and Wave-Shape Effects on Fatigue

Abstract

Low-cycle, high-temperature fatigue failure is a complex process which can result from the combined action of time independent plasticity, intergranular cavitation and environmental effects. The dominance of one mechanism over another, and interactions between them, depends strongly on temperature, strain range, strain rate and waveshape. In particular, the effect of waveshape on the failure mechanisms is discussed in this paper. The construction of fatigue maps for some precipitation hardened copper alloys is described. Such maps define the dominant fatigue mechanism under a given set of operating conditions. Thus they are useful for defining the limitations of extrapolation techniques which are based on the operation of a single failure mechanism.

Résumé

La rupture en fatigue oligocyclique, à haute température, est un phénoméne complexe qui peut provenir de l'action conjointe de la plasticité (indépendante du temps), de la cavitation intergranulaire et des effets de l'environnement. La prédominance d'un de ces mécanismes et leur interactions sont grandement influencées par la température, la forme du cycle, le niveau et le taux de déformation. Cet article insiste particulièrement sur l'influence de la forme du cycle sur les mécanismes de fissuration. On décrit comment sont mis au point des diagrammes de fatigue pour des alliages de cuivre durcis par précipitation. Suivant les conditions d'essais, ces diagrammes sont utilisés à déterminer le mécanisme dominant en fatigue; ils sont donc bien pratiques pour fixer les limites des techniques d'extrapolation, basés sur un seul mécanisme opérant.     

Fine particle strengthening in Cu-0.35 wt% Cr

Abstract

The flow stress of polycrystalline, Cu-0.35wt% Cr, containing precipitate less than 130Å in diameter, has been investigated.

The flow stress can be described in terms of a grain size effect, given by a Petch type relationship, in addition to strengthening effects resulting from dislocation particle interactions. The precise mechanism by which dislocation particle strengthening occurs has not been determined unambiguously, but the present results and their agreement with published data suggest that the dislocation particle contribution to flow stress is controlled by coherency effects.

Résumé.

Les auteurs ont étudié la contrainte d'écoulement d'échantillons poly cristallins de Cu-0.35% Cr contenant des précipités ayant un diamétre inférieur à 130Å.

La contrainte d'écoulement peut etre expliquée en termes d'un effet de taille de grains selon une relation du type Petch, auquel s'ajoutent des effets de durcissement résultant des interactions dislocations?particules. Le mécanisme exact par lequel le durcissement dislocations?particules a lieu n'est pas identifie sans ambiguïté, rnais les résultats actuels et l'accord avec les donnees publiees indiquent que des effets de coherence controlent la contribution à la contrainte d'écoulement venant des interactions dislocations?particules.     

A comparison between the predicted and experimental microstructure of electron beam welded eutectoid steel

Abstract

Experimental evidence is presented to support the assumptions included in the electron beam welding heat flow model of Goldaket al. (1). The predicted time-temperature curve of a point near the weld is compared with the calculated time-temperature curve. The observed and calculated fusion and transformed zone widths are compared. The microstructures in the fusion and heat-affected zones are compared with those predicted from calculated time-temperature curves and a continuous cooling diagram for AISI 1080 steel. The general agreement between the experimental and calculated results shows that reliable predictions can be made from a heat flow model that neglects latent heat and assumes a mean thermal diffusivity and thermal conductivity.

Résumé

Des faits expérimentaux sont présentés à l'appui des hypothèses formulées dans le modèle de Goldaket al. (1) sur l'éculement de chaleur au cours du soudage par faisceau electronique. La courbe prédite temps-température d'un point situé au voisinage de la soudure est comparée avec la courbe calculée. Sont également calculées les largeurs des zones de fusion et des zones transformées ainsi que les microstructures de ces zones avec celle prévue à partir des courbes de refroidissement et des diagrammes de transformation en refroidissement continu pour l'acier 1080. L'accord général obtenu entre les observations expérimentales et les faits prédits par calcul, montrent que des prédictions valables peuvent être faites à partir d'un modèle d' écou1ement de la chaleur qui néglige la chaleur latente et assume des diffusivité et conductibilité thermiques moyennes.     

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.     

Effects of impact loading onuranium and tungsten-based materials

Abstract

The morphology of the interface developed in the hot-dip aluminizing process between the aluminide layer and the iron substrate was investigated by metallography.

A serrated interface was generally found between the aluminide layer and the iron substrate. However, a planar interface was produced by the addition of carbon and silicon in the iron substrate or the addition of silicon in the aluminum bath. This interesting phenomenon is explained on the basis of the nucleation of each aluminide grain at the contact interface. The serrated interface is believed to result from preferential nucleation of aluminide crystallites on certain crystallographic planes of the iron substrate, whereas the planar interface results from uniform nucleation at all sites. It was also determined that the structure of the iron substrate has no effecton interface morphology, and that the aluminide layer has a preferred orientation of (002).

Résumé

La morphologie de l'interface qui se développe dans le procédé d'aluminage par immersion à chaud entre la couche d'aluminures et le substrat de fer a été étudiée par métallographie.

On a généralement trouvé une interface indentée entre la couche d'aluminures et le substrat de fer. Cependant, une interface plane a été produite par l'addition de carbone et silicium au substrat de fer our par l'addition de silicium dans le bain d'aluminium; Ce phénomène intéressant est expliqué en considérant la nucléation de chaque grain d'aluminure à l'interface de contact. L'interface indentée est sans doute le résultat d'une nucléation préférentielle des cristallites d'aluminures sur certains plans cristallographiques du substrat de fer alors que l'interface plane provient d'une nucléation uniforme sur tous les sites. On a également trouvé que la structure du substrat de fer n'a pas d'effet sur la morphologie de l'interface et que la couche d'aluminures a une orientation préférentielle (002).     

Yield loci of Zircaloy tubing with different textures

Abstract

Yield loci of four batches of Zircaloy-4 canning tubes with different textures were measured at room temperature for quadrants I and IV (axial tensile or compressive stresses in combination with internal pressure). The circumferential and axial strains were continuously recorded using applied strain gauges and maximum plastic strains of about 0.2%.

A comparison with the yield loci determined by Knoop hardness measurements gave marked differences in the shape of the yield loci. The experimental results showed that the shape of the yield loci of Zircaloy tubing can be altered by texture variations, mainly by changes in the tilt angle of the basal poles of the hexagonal zirconium crystals from the radial towards the tangential direction of the tubes. The yield loci of tubes with a sharp ideal orientation can be calculated successfully for all four quadrants on the basis of the active slip or twinning systems for specific biaxial loading conditions. It is shown that the use of the Von Mises yield criterion is limited to only a few texture and stress conditions.

Résumé

Les points d'ecoulement de quatre lots de tubes en Zircaloy-4, ayant des textures différentes, ont été mesurés à l'ambiante pour les quadrants I et IV (contraintes axiales de tension ou de pression juxtaposées a une pression interne). Les déformations circonférentielles et axiales furent continuellement enregistrées à l'aide de jauges de déformation et de déformations plastiques d'environ 0.2%.

Des différences marquées dans la forme du point d'écoulement furent observées en comparaison avec celle mesurée par dureté Knoop. Les résultats expérimentaux ont montré que la forme du point d'ecoulement de tubes de Zircaloy peut être modifiée par des variations de texture surtout par des changements dans l'angle d'inclinaison des pôles du plan de base du zirconium, de la direction radiale vers la direction tangentielle des tubes. On peut ca1culer avec succés le point d'écoulement pour les quatre quadrants, de tubes ayant une orientation idéale marquée, en se basant sur les systèmes actifs de glissement ou de maclage pour des conditions spécifiques de contrainte biaxiale. On montre qu'on peut utiliser le critère d'écoulement de von Misès seulement pour quelques conditions de texture et de contraintes.     

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.     

Reactivity of silicon steels hot-dip galvanizing

Abstract

Excessive reactivity of silicon-bearing steels in hot-dip galvanizing is well known. No adequate explanation exists as to why silicon should be so effective in destabilizing the layers of Fe-Zn intermetallies allowing free access of zinc to the reaction interface and causing linear kinetics to persist throughout the galvanizing reactions. Another important aspect of the silicon effect is the formation of grey coatings.

Special galvanizing experiments combined with electron microprobe and scanning electron microscope analyses and a critical reconsideration of existing knowledge allow us to present a consistent mechanistic picture of the silicon-induced reactivity and grey-coating phenomena.

Résumé

La réactivité excessive des aciers con tenant du silicium, lors de la galvanisation par immersion, est bien connue. Il n'existe aucune explication satisfaisante de la grande efficacité du silicium pour provoquer l'instabilité des couches d'intermétalliques Fe-Zn. Cette instabilité permet au zinc d'atteindre librement l'interface de réaction, ce qui fait que la cinétique demeure linéaire tout au cours des réactions de galvanisation. De plus, le silicium a une influence importante sur la formation de revêtements gris

Des expériences spéciales de galvanization combinées avec des analyses à la microsonde et au microscope électronique à balayage et un examen critique des connaissances actuelles, nous permettent de suggérer une image logique des phénomènes de la réactivité engendrée par le silicium et du revêtement gris.     

450 °C Isothermal Section of the Fe-Zn-Si Ternary Phase Diagram

Abstract

The 450 °C isothermal section of the Fe-Zn-Si ternary phase diagram has been determined experimentally using optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) coupled with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and X-ray diffractometry. The focus of the work has been concentrated on the Zn-rich corner which is relevant to general galvanizing. The present study has confirmed the existence of the equilibrium state between the liquid, the ξ phase and the FeSi phase. This three phase equilibrium state prevents the equilibrium between the liquid and the δ phase suggested by some researchers. Experimental results indicate that Si solubility in all four binary Zn-Fe compounds is limited. The Fe solubility in molten Zn was found to decrease with increasing Si content in the melt. The liquid phase boundary was determined using a model based phenomenological approach.

On a detérminé expérimentalement la section isothermique à 450 °C du diagramme de phase ternaire Fe-Zn-Si en utilisant la microscopie optique, la microscopie électronique à balayage (SEM) conjointement avec la spectroscopie à rayons x à dispersion d'énergie (EDS) et la diffractométrie à rayons x. On a centré ce travail sur le coin riche en Zn qui est important pour la galvanisation générale. La presente étude a confirmé l'existence de l'état d' équilibre entre le liquide, la phase ξ et la phase FeSi. Cet état d' équilibre à trois phases empêche l' équilibre entre le liquide et la phase δ, suggéré par certains chercheurs. Les résultats expérimentaux indiquent que la solubilité du Si dans les quatre composes binaires Zn-Fe est limitee. On a trouvé que la solubilite du Fe dans le Zn fondu diminuait avec une augmentation du contenu en Si dans le liquide. On a déterminé la limite de la phase liquide en utilisant un modèle basé sur une approche phénoménologique.     

Pneumatic Steelmaking

Abstract

A brief historical review of pneumatic steelmaking is presented with emphasis on top and bottom blown oxygen processes. Modern steelmaking methods are described, including bottom injection techniques. The fundamentals of gas jet behavior are outlined, including the importance of the physics and mechanics of the jet and the interrelationship with process chemistry. Refining mechanisms involving metal, slag and gases are detailed for current and proposed pneumatic steelmaking processes.

Résumé

Un bref historique de l' élaboration de l'acier par souffiage est présenté en insistant plus particulièrement sur les convertisseurs d'oxygène à souffiage par le haut et par le bas. Les méthodes modernes d' élaboration de l'acier incluant les techniques d'injection par le fond, sont décrits. Le comportement fondamental du jet gazeux est abordé, ainsi que l'importance de la physique, de la mécanique du jet et des interactions avec la chimie du procédé. Enfin les mécanismes d'affinage faisant intervenir le métal, le laitier et les gazs sont détaillés pour les procédés d' élaboration de l'acier par souffiage.     

Computer Modelling and Testing of Metal Flow in Gating Systems

Abstract

A computer model based on a finite element analysis of the Saint Venant equations has been developed for the initial free-surface flow of metal through a gating system. Flow patterns predicted by the model have been compared with the actual flow of various metals in sand moulds, observed using an X-ray fluorescence technique, and with the flow of water in clear plastic systems. The model has been refined to a point where good correlation between observed and computed flow patterns is obtained.

Résumé

Un modèle fait sur ordinateur et fondé sur une analyse par éléments finis des équations de Saint Venant a été développé pour l'écoulement initial à surface libredu métal à travers un systèmede répartition. Les types d'écoulement prédits par le modèle ont été comparés avec l'écoulement réel de divers métaux dans des moules de sable, observé en utilisant une technique de fluorescence X, et avec l'écoulement de l'eau dans des systèmes en plastiques transparents. Le modèle a été perfectionné pour obtenir une bonne corrélation entre les structures d'écoulement observées et calculées.     

The Implementation of a Mathematical Model to Characterize Mold Metal Interface Effects in Metal Casting

Abstract

The formation of the air gap at the mold/metal interface during casting is responsible for considerable changes in local cooling rates. Often, boundary conditions input to a mathematical model have routinely been guessed at (often inaccurately) or have been determined experimentally, both of which can introduce difficulties in predicting solidification history. A novel technique which minimizes the error associated with selecting boundary conditions without experimentation is proposed. Advance knowledge of air gap formation and its correlation to the heat transfer coefficient at the mold/metal interface is used to formulate a coupled mathematical model which determines the growth of the air gap and predicts the instantaneous cooling conditions at a given mold wall. The accuracy of the simulation is consequently improved and the need to match experimental boundary conditions is eliminated. This paper presents the current results of an ongoing research program. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La formation d'un espace d'air à l'interface moule/métal lors du coulage est résponsable de changements considerables des taux de refroidissément locaux. Souvent, les conditions limites d'entrée d'un modéle mathematiqué ont fait 1'0bjet, par routine, d'une estimation (souvent incorrecte) ou ont été determinées experiméntalement, les deux methodés pouvant introduiré des difficultés dans la prediction de l'histoiré de la solidification. On propose une nouvellé technique qui minimise l'erréur associée avec la selection de conditions limites sans expérimentation. La connaissance, à l'avance, de la formation d'un espace d'air et sa correlation avec le coefficient de transfert de chaleur à l'interface moulé/metal est utilisée dans la formulation d'un modéle mathematiqué couple. Ce modéle determine la croissance de l'espace d'air et predit les conditions de refroidissément instantane à une paroi donnée du moule. L'éxactitude de la simulation est ameliorée, consequemment, et on elimine le besoin d'association à des conditions limites experimentales. Ce document présente les résultats courants d'un programme de recherche en cours. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Particle Discrimination in Water Based Limca (Liquid Metal Cleanliness Analyzer) System

Abstract

A mathematical model has been developed to predict the motion of particles in a water based version of the LiMCA system — APS II (Aqueous Particle Sensor) system. The fluid field entering the electric sensing zone (ESZ) was obtained by solving the Navier-Stokes equations and the trajectories of particles by equations for the motion of particles. The results showed that the motions of the particles inside the parabolic shaped orifice are affected by particle density and size. Entrained micro-bubbles lead the fluid flow, travelling faster than latex micro-spheres, which are slightly denser than the fluid and lag only slightly behind the flow. Silica particles, which are much denser than the fluid, lag significantly behind the flow, accelerating more slowly than latex micro-spheres and much more slowly than bubbles. The relative velocities between the entrained particles and the inflowing water decrease with decreasing particle size. The experimental results showed that 1) larger particles have longer transit times than do smaller ones, 2) bubbles have shorter transit times than do latex spheres and much shorter than do silica particles of the same size and 3) differences in transit times are more pronounced for larger particles in keeping with theoretical predictions. The results prove that inclusion discrimination on the basis of density difference is realizable in water based LiMCA systems.

On a développé un modèle mathématique pour prédire le mouvement des particules dans une version à base d’eau du système “LiMCA” (analyseur de la ‘propreté’ du métal liquide)—système APS II (détecteur aqueux pour particules). On a obtenu le champ fluide entrant la zone de détection électrique (ESZ) en résolvant les équations de Navier-Stokes; on a obtenu la trajectoire des particules par les équations du mouvement des particules. Les résultats montrent que le mouvement des particules à l’intérieur de l’orifice parabolique est affecté par la densité et la taille des particules. Les micro-bulles entraînées conduisent l’écoulement de fluide, voyageant plus vite que les microsphères de latex, qui sont légèrement plus denses que le fluide et ne sont que très légèrement en retard derrière l’écoulement. Les particules de silica, qui sont beaucoup plus denses que le fluide, sont significativement en retard derrière l’écoulement, accélérant plus lentement que les micro-sphères de latex et beaucoup plus lentement que les bulles. La vélocité relative entre les particules entraînées et l’eau d’entrée diminue avec une diminution de la taille des particules. Les résultats expérimentaux montrent que 1) les plus grosses particules ont une durée de passage plus longue que les petites particules, 2) les bulles ont une durée de passage plus courte que les sphères de latex et beaucoup plus courte que les particules de silica de la même taille. 3) Les différences de durée de passage sont plus prononcées pour les plus grosses particules, en accord avec la théorie. Les résultats prouvent que la discrimination d’inclusion sur la base de la différence de densité est réalisable avec un système “LiMCA” à base d’eau.     

A new insight into grain growth kinetics in terms of polygonized sub-structure development

Abstract

Multi- and double-annealing techniques have been used to study modifications in grain growth kinetics due to thermal cycling in aluminum, lead and tin of different purities.

The results indicate that thermal cycling brings about polygonization in high purity aluminum, lead and tin. The evolution of this substructure depends on the nature and amount of impurities as well as on the parameters of the annealing treatment.

The observed changes in the growth kinetics are a direct result of the development of the polygonized substructure which interacts with the grain boundaries and leads to modification of their topography, as revealed by the liquid gallium grain boundary separation technique.

A physical model based on the gradual evolution of this substructure and its interaction with the grain boundaries has been put forward to explain qualitatively the observed modifications in the grain growth kinetics.

Résumé

Dans l'aluminium, le plomb et l'étain de différentes puretés, les auteurs ont utilisé les techniques de recuits double et multiple pour étudier les modifications dans la cinétique de croissance du grain, dues au cyclage thermique.

Les résultats expérimentaux révèlent que le cyclage thermique induit une polygonisation dans l'aluminium, le plomb et l'étain de haute pureté. L'évolution de cette sous-structure dépend de la nature et du niveau d'impuretés, ainsi que des paramètres du traitement de recuits.

Les modifications observées dans la cinétique de croissance sont des effets directs du développement de la sous-structure polygonisée, qui interagit avec les join ts de grains et conduit à une modification de leur topographie, comme le révèle la technique de décohesion intergranulaire au gallium liquide.

Un modèle physique faisant appel à l'évolution graduelle de cette sous-structure et à son interaction avec les joints de grains est proposé par les auteurs pour expliquer qualitativement les modifications observées dans la cinétique de croissance du grain.