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.     

Wear resistance of coke-crushing hammers

Abstract

This work investigated several methods for improving the wear resistance of the 42CrMo4 tool steel used for coke-crushing hammers. The methods embraced heat treatment for obtaining different combinations of strength and ductility of the bulk steel, and surface-engineering processes comprising TiN thin-film deposition using magnetron-sputtering, nitriding and WC/Ni weld deposit surfaced by gas metal arc (GMA) method. The wear-resistance was tested under industrial conditions. Oil quenching and tempering significantly increased the wear resistance in comparison to the as-received condition. Conversely, nitriding and TiN-hard coating did not show any significant improvement. WC/Ni weld deposit provided the best protection against wear, which was caused predominantly by hard abrasive particles present in the coke.

Ce travail a examiné quelques méthodes d’amélioration de la résistance à l’usure de l’acier à outils 42CrMo4, utilisé pour les marteaux de broyage de coke. Les méthodes incluaient le traitement thermique pour l’obtention de combinaisons diverses de résistance et de ductilité de l’acier en vrac, ainsi que les procédés d’ingénierie des surfaces comprenant le dépôt de couche mince de TiN par pulvérisation au magnétron, la nitruration ainsi que le surfaçage par dépôt de soudure de WC/Ni par la méthode de soudure à l’arc sous gaz (GMA). On a évalué la résistance à l’usure en conditions industrielles. La trempe à l’huile avec revenu augmentait significativement la résistance à l’usure par rapport au métal brut d’usinage. Inversement, la nitruration, et le revêtement dur de TiN n’ont pas montré d’amélioration importante. Le dépôt de soudure de WC/Ni fournissait la meilleure protection contre l’usure, qui était principalement causée par les particules abrasives dures présentes dans le coke.     

Gaseous deoxidation of anode copper at the Noranda smelter

Abstract

The evolution of methods used for deoxidation of anode topper at the Noranda smelter is summarized. The processes range from birch poles and reverberatory furnace to present day natural gas and rotary furnace. Current deoxidation practice is discussed in detail and comparisons made between Noranda and some alternative procedures.

Résumé

Les auteurs font une étude de l'évolution des methodes de désoxydation du cuivre à anode à la fonderie de Noranda. Ces méthodes vont du perchage et du four réverbére au four rotatif moderne au gaz naturel. Les méthodes courantes de désoxydation sont ana1ysées en détail et l'on compare les procédés de Noranda à certains autres.     

PERFORMANCE OF HIGH REFLECTANCE MULTIPLE LAYERED THERMAL BARRIER COATING SYSTEMS

Abstract

Afurther increase in gas turbine engine temperature necessitates a continuous development and advancement of thermal barrier coatings. While tremendous effort has been devoted to developing new thermal barrier coating materials and processing methods in order to decrease the thermal conductivity, limited attention has been paid to radiative thermal transport through coatings. It is the purpose of this study to develop a new multiple layered coating structure that can be used to effectively reduce both the radiative thermal transport as well as thermal conductivity and to demonstrate the mechanism and performance of the proposed multiple layered coating structure. Mathematical modelling based on multiple beam interference and simulation results are presented.

Une augmentation supplémentaire de la température de la turbine à gaz nécessite le développement et l’avancement continu des revêtements pour barrière thermique. Alors qu’on a dévolu un effort remarquable au développement de nouveaux matériaux de revêtement pour barrière thermique et aux méthodes de traitements afin de diminuer la conductivité thermique, on a peu porté attention à la transmission thermique radiative à travers les revêtements. C’est le but de cette étude de développer une nouvelle structure de revêtement multicouche, que l’on peut utiliser pour réduire efficacement tant la transmission thermique radiative que la conductivité thermique, et de démontrer le mécanisme et le rendement de la structure proposée de revêtement multicouche. On présente un modèle mathématique basé sur l’interférence à faisceaux multiples ainsi que les résultats de la simulation.     

Interfacial morphologies between NiO–YSZ fuel electrode/316 stainless steel as interconnect material and B‐Ni3 brazing alloy in solid oxide fuel cell system: effect of joint loading during brazing

Abstract

Joining of NiO–YSZ composite with 316 stainless steel was carried out using B‐Ni3 brazing filler alloy (Ni–4·5Si–3·2B–0·06C–0·02P, wt‐%; melting point, 982–1038°C) and two samples were fabricated. On the one hand, interfacial (chemical) reactions during brazing at the NiO–YSZ/316 stainless steel interconnect were promoted only by addition of an electroless nickel plate to NiO–YSZ composite as a coating with relevant process variables and procedures optimised during the electroless nickel plating. On the other hand, moderate loading was applied during brazing normal to the joint surface where electroless nickel plate was coated previously to improve interfacial sealing of the NiO–YSZ cermet anode/316 stainless steel interconnect structure for use in a solid oxide fuel cell. A special fixture for static loading was designed for filler metal alloy strips to be preplaced at the joint surface where static loading was applied perpendicular to it for the promotion of liquid alloy layer formation during brazing. Brazing was performed in a cold wall vacuum furnace at 1080°C and post‐brazing examination of interfacial morphologies between NiO–YSZ composite and 316 stainless steel was performed using SEM and EDS analyses. The results indicate that B‐Ni3 brazing filler alloy was fused fully during brazing and continuous interfacial layer formation and joint integrity were significantly affected by applied static loading during brazing. The loading most probably contributed to promotion of the B‐Ni3 liquid phase formation in the joint. However, the thickness of the interface area remained almost the same at 100?μm for loaded and unloaded joints.

On a assemblé le composite NiO–YSZ avec l’acier inoxydable 316 en utilisant l’alliage d’apport de brasage B‐Ni3 (4·5% en poids Si, 3·2% en poids B, 0·06% en poids C, 0·02% en poids P, et le reste, Ni, point de fusion 982–1038°C) et l’on a fabriqué deux échantillons. D’un côté, on a stimulé les réactions interfaciales (chimiques) lors du brasage à l’interconnexion NiO–YSZ/acier inoxydable 316 uniquement par addition d’un revêtement autocatalytique de nickel au composite NiO/YSZ, les variables pertinentes du procédé et les procédures étant optimisées lors du dépôt autocatalytique de nickel. D’un autre côté, lors du brasage, on a appliqué une charge modérée, normale à la surface du joint, où l’on avait auparavant déposé le nickel autocatalytique, pour améliorer le scellement interfacial de la structure de l’interconnexion de l’anode cermet NiO–YSZ/acier inoxydable 316 pour utilisation dans une SOFC (pile à combustible à oxyde solide). On a créé un montage spécifique pour charge statique pour que les rubans d’alliage de métal d’apport soient préplacés à la surface du joint où la charge statique était appliquée perpendiculaire à celui‐ci pour promouvoir la formation d’une couche d’alliage liquide lors du brasage. On a effectué le brasage dans un four à vide à paroi froide à 1080°C et, après le brasage, on a examiné les morphologies interfaciales entre le composite NiO–YSZ et l’acier inoxydable 316 en utilisant les analyses de SEM et d’EDS. Les résultats indiquent que l’alliage d’apport de brasage B‐Ni3 était complètement fusionné lors du brasage et la formation d’une couche interfaciale, continue, ainsi que l’intégrité du joint étaient affectées significativement par la charge statique appliquée lors du brasage. La charge a fort probablement contribué à la promotion de la formation de la phase liquide de B‐Ni3 dans le joint. Cependant, l’épaisseur de la région d’interface demeurait presque la même à 100?μm pour les joints avec ou sans charge.     

Weld nugget formation and mechanical properties of three-sheet resistance spot welded low carbon steel

Abstract

In this paper, weld nugget formation and mechanical properties of 1·25/1·25/1·25 mm three-sheet low carbon steel resistance spot welds are investigated. Heat conduction from sheet/sheet interfaces (i.e. places with higher electrical resistance) to the geometrical centre of the joint and heat dissipation via water cooled electrodes play an important role in weld nugget growth of three-sheet resistance spot welding. It was shown that the fusion zone size along the sheet/sheet interface was greater than that of along geometrical centre of the joint leading to high tendency to interfacial failure. Fusion zone size at the sheet/sheet interface proved to be the most important controlling factor of mechanical performance of three-sheet spot weld in terms of peak load and energy absorption.

Dans cet article, on examine la formation du noyau de soudure et les propriétés mécaniques de trois tôles d’acier de 1·25–1·25–1·25 mm à faible teneur en carbone, soudées par points par résistance. La conduction de chaleur des interfaces tôle - tôle (c’est-à-dire les endroits ayant une résistance électrique plus élevée) vers le centre géométrique du joint et la dissipation de chaleur par l’intermédiaire d’électrodes refroidies à l’eau jouent un rôle important dans la croissance du noyau de soudure du soudage à trois tôles par points par résistance. On a montré que la taille de la zone de fusion au long de l’interface tôle - tôle était plus grande que la taille de la zone de fusion au long du centre géométrique du joint, donnant naissance à une tendance élevée à la défaillance interfaciale. Il s’est avéré que la taille de la zone de fusion à l’interface tôle - tôle était le facteur de contrôle le plus important du rendement mécanique de la soudure par points à trois tôles en ce qui a trait à la charge de pointe et à l’absorption d’énergie.     

DYNAMIC SIMULATION OF A FLASH FURNACE

Abstract

A real time dynamic simulation model has been developed to characterize the flash furnace operation which permits its operation in a stable form that is attuned to the operation of the Pierce Smith converters while satisfying the requirements of gases for the acid plant.

Flash furnace stability is obtained by calculating the key operational parameters (process air enrichment, oxygen coefficient and thermal support) and meeting, the desirable product variables (matte grade, silica in the slag and matte and slag temperatures). These variables are calculated from a real time simulation.

A numerical method allows one to calculate the differences of actual values compared to those predicted by the model based on the minimization of correction factors using the Lagrange multipliers method for the slag, silica, oxygen and furnace heat balance.

The operational control strategy allows the interlocked operation of the flash furnace with the converters to optimize the operational efficiency of the acid plant. This requires one to comply the flash furnace stability parameters with the copper mass flow to converters and the sulphur mass flow to the acid plant which is obtained by calculating the feed composition based on continuous blending dosing instead of fixed blends or layer preparation, as has been done traditionally. This calculation procedure was implemented in the model developed.

On a développé un modèle de simulation dynamique en temps réel pour caractériser le fonctionnement du four éclair, ce qui permet son fonctionnement stable, harmonisé au fonctionnement des convertisseurs Pierce Smith, tout en satisfaisant aux exigences en gaz de l’usine d’acide.

La stabilité du four éclair est obtenue en calculant les paramètres clés du fonctionnement (enrichissement de l’air industriel, coefficient d’oxygène et support thermique) et en obtenant les variables de produit désirées (qualité de la matte, silice dans la scorie et températures de la matte et de la scorie). Ces variables sont calculées à partir d’une simulation en temps réel.

Une méthode numérique nous permet de calculer les différences des valeurs actuelles par rapport à celles qui sont prédites par le modèle, basée sur la minimisation des facteurs de correction en utilisant la méthode des multiplicateurs de Lagrange, pour le bilan thermique de la scorie, de la silice, de l’oxygène et du four.

La stratégie de contrôle opérationnel permet le fonctionnement synchronisé du four éclair et des convertisseurs pour optimiser le rendement opératoire de l’usine d’acide. Pour cela, il est nécessaire que l’on ajuste les paramètres de stabilité du four éclair au débit massique de cuivre vers les convertisseurs et au débit massique de soufre vers l’usine d’acide, ce que l’on obtient en calculant la composition de la charge, basée sur le dosage en mélange continu au lieu de mélanges fixes ou de la préparation en couche, comme cela était fait traditionnellement. Cette procédure de calcul a été mise en application dans le modèle développé.     

INCLUSION REMOVAL IN A TUNDISH BY GAS BUBBLING

Abstract

The probabilities of inclusion removal from liquid steel by collision and attachment to rising gas bubbles have been analyzed. A simple mathematical model of inclusion removal by gas bubbling in a tundish has been developed. It was found that maintaining bubble size in the range of 0.5 to 3 mm should enhance inclusion removal efficiency. Increasing the bubbly volume fraction in the tundish and the tundish residence time can be used to improve the inclusion removal efficiency by gas bubbling. However, the formation of small bubbles in a tundish may be problematic as bubble size is affected by the high wetting angles typical of liquid metal contact with bubble orifice materials.

On a analysé la probabilité de l’enlèvement d’inclusions de l’acier liquide par collision et attachement à des bulles ascendantes de gaz. On a développé un modèle mathématique simple de l’enlèvement d’inclusions par barbotage de gaz dans un panier de coulée. On a trouvé que le maintien de la taille de bulle dans la plage de 0.5 à 3 mm devrait accroître le rendement de l’enlèvement d’inclusions. On peut utiliser l’augmentation de la fraction volumique de bulles dans le panier de coulée et son temps de résidence pour améliorer le rendement de l’enlèvement d’inclusions par barbotage de gaz. Cependant, la formation de petites bulles dans un panier de coulée peut être un problème car la taille des bulles est affectée par les angles mouillants élevés typiques du contact du métal liquide avec les matériaux d’orifice de bulle.     

Computational study on the behaviours of supersonic jets and their impingement onto molten liquid free surface in BOF steelmaking

A mathematical model is proposed to study the impingement of multiple supersonic jets onto the free surface of the liquid bath containing molten slag and metal in a steelmaking converter by means of volume of fluid (VOF) approach. The applicability of the proposed model is verified by the good agreement with measured and calculated results. The model is then used to study the jet hydrodynamic behaviours such as jet profile, impact force, penetration depth and impact area, as well as time-dependent evolution of cavity, with respect to temperature, operating pressure and lance height. The results show that the temperature effect on total impact force is negligible but significant for penetration depth and impact area. A semi-empirical correlation is used to describe penetration depth under the steelmaking condition of high temperature. It is also shown that the proposed model can reproduce the splashing phenomenon on the bath surface.

On propose un modèle mathématique pour étudier l’impact de jets supersoniques multiples à la surface libre du bain liquide contenant de la scorie et du métal fondus dans un convertisseur de production d’acier, au moyen de l’approche du Volume de Fluide (VOF). On vérifie l’applicabilité du modèle proposé par l’agrément entre les résultats calculés et les résultats mesurés. On utilise ensuite le modèle pour étudier les comportements hydrodynamiques du jet, comme le profil du jet, la force de choc, la profondeur de pénétration et la superficie de l’impact, ainsi que l’évolution de la cavité en fonction du temps par rapport à la température, à la pression d’opération et à la hauteur de la lance. Les résultats montrent que l’effet de la température sur la force totale de choc est négligeable mais qu’il est important pour la profondeur de pénétration et pour la superficie de l’impact. On utilise une corrélation semi-empirique pour décrire la profondeur de pénétration pour la production d’acier à température élevée. On montre également que le modèle proposé peut reproduire le phénomène d’éclaboussement à la surface du bain.     

Activity-composition relationships of cobalt in 80% platinum – 20% rhodium alloy

Abstract

Activities of cobalt in solid alloys of cobalt-platinum-rhodium were determined as a function of composition at 1450, 1500 and 1600° C by equilibrating the alloys with cobalt oxide and a gas of known partial pressure of oxygen. The data were used to calculate excess free energies of mixing in the pseudo binary Co–‘80%Pt-20%Rh’ at 1450 and 1500° C. The activities display negative deviations from ideality. Comparison with data for the system Co-Pt shows that rhodium increases the activity of cobalt in these alloys.

Résumé

Les auteurs ont déterminé l'activité du cobalt dans des solutions solides de cobaltflatine-rhodium; les mesures ont été faites à 1450, 1500 et 1600°C en réalisant l' équilibre des alliages et de l'oxyde de cobalt et d'un gaz dont la pression partielle d'oxygène était connue. Les résultats ont été utilisés pour calculer l' énergie libre de mélange en excès dans l'alliage pseudo-binaire Co– ‘80% Pt-20% Rh’ à 1450 et 1500°c. Les activités ont une déviation néative par rapport au cas idéal. Dne comparaison avec les résultats du système Co-Pt montre que le rhodium augmente l'activité du cobalt dans ces alliages.     

Improving corrosion resistance of epoxy coatings modified with silane monomers on AZ31D magnesium alloy

Abstract

In recent years, there has been growing interest in developing high performance silane containing epoxy coatings. In this work, two silane monomers (3-glycidoxypropyltrimethoxysilane and vinyltrimethoxy silane) were incorporated in epoxy coatings. The results demonstrated that the incorporation of 5 wt-% 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane in coating formulation improved the anticorrosive performance of the epoxy coating on AZ31D magnesium alloy. The improving effect of 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane was much better than that of vinyltrimethoxy silane, which can be ascribed to the compatibility of the former with epoxy vehicle. The adhesion between epoxy coatings and substrate was also strengthened by addition of the two silane monomers.

Ces dernières années, on note un intérêt grandissant dans le développement de revêtements à haute performance de résine époxy contenant du silane. Dans ce travail, on a incorporé deux monomères de silane (3-glycidoxypropyltriméthoxysilane et vinyltriméthoxy silane) dans des revêtements de résine époxy. Les résultats ont démontré que l’incorporation de 5% en poids de 3-glycidoxypropyltriméthoxysilane dans la formule du revêtement améliorait le rendement anti-corrosif du revêtement de résine époxy sur l’alliage au magnésium AZ31D. L’amélioration du 3-glycidoxypropyltriméthoxysilane était bien meilleure que celle du vinyltriméthoxy silane, ce que l’on peut attribuer à la compatibilité du premier avec le véhicule de la résine époxy. L’adhésion entre les revêtements de résine époxy et le substrat était également renforcée par l’addition des deux monomères de silane.     

Reduction of chromites in methane-hydrogen mixtures-chromium sesquioxide

Abstract

Chromium sesquioxide can be reduced to chromium metal or carbide by mixtures of hydrogen and methane. The mechanisms and conditions for these reactions have been determined using simulation of the effects of methane cracking by controlled addition of carbon. The work forms a basis for the investigation of reduction of chromite ores by coke-oven or natural gas. This reaction is of economic interest because the oxygen tends to be removed as carbon monoxide, thus retaining the reducing potential of the effluent gases. Kinetic data were collected from temperature programmed experiments to which a model, based upon the shrinking-core concept for gas-solid reactions, was found to be applicable. The solid-solid carbon-chromium oxide reduction is the sum of three chemical reactions and is catalyzed by hydrogen, although carbon monoxide diminishes the effect of this catalysis below 1200°C.

Résumé

Le sesquioxide de chrome peut être réduit à l'état de métal chrome ou de carbure de chrome par les mélanges hydrogène-méthane. Les mécanismes et les conditions de ses réactions ont éte déterminés en utilisant la simulation des effets de «cracking» du méthane par des additions contrôlées de carbone. Ce travail est primordial pour l'étude de la réduction des minerais de chromite pour les gaz des fours à coke ou le gaz naturel. Cette réaction a un intérèt économique parce que l'oxygène tend à être éliminé sous forme monoxyde de carbone, qui conserve le potentiel réducteur des gaz qui s'echappent. Les données cinetiques ont été collectées à partir des expériences avec programmation de la température pour lesquelles un modèle fonde sur l'hypothèse d'une réduction à symétrie sphérique pour les réactions solide-gaz s'est révélé applicable. La réaction solide-solide de réduction de l'oxyde de chrome par le carbone est la somme de trois réactions chimiques et est catalysée par l'hydrogène bien que l'oxyde de carbone diminue son effet catalytique pour des températures inferieures à 1200°C.     

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.     

Effects of Interfacial Tension Change on the Intensification of Slag-Metal Reactions

Abstract

The operation of many mineral and metallurgical processing plants is based on reactions that involve mass and heat transfers. The control of these processes implies the use of several sensors to monitor composition, tonnage, temperature and other strategic variables. Although several sensors could be installed for the control of a process, some may not be available due to their price and inability to sustain the harsh conditions prevailing in the plant. A data reconciliation technique provides a way to estimate, from the available measurements and process models, these unmeasured variables. Estimated variables from a data reconciliation algorithm can then be used for control, optimization or inventory purposes. This paper describes the application of a data reconciliation technique based on mass and energy balances for the estimation of unmeasured gas flow rates and pellet temperatures in an iron oxide pellet induration furnace.

La réconciliation de données est une technique reconnue pour estimer l’état de variables non mesurées, et quelques fois non mesurables, à partir d’un modèle de procédé et de mesures d’autres variables fournies en continu par des capteurs. Les états estimés des variables non mesurées et non disponibles peuvent être utilisés dans des stratégies de commande automatique ou encore pour effectuer de l’optimisation en temps réel de procédé. Cet article présente un exemple d’application de la réconciliation de données à des mesures fournies par les capteurs installés sur un four de durcissement de boulettes d’oxyde de fer. Les résultats montrent que la technique utilisée permet d’estimer des débits de gaz dans des conduites de plusieurs mètres de diamètre à partir de mesures de pression et de température, en plus de permettre d’identifier des mesures imprécises ou biaisées de capteurs. Les résultats peuvent aussi être utilisés pour le développement de capteurs virtuels pour relier la puissance de ventilateurs au débit de gaz poussé par ces derniers.     

AMATHEMATICAL MODEL OF A DC ELECTRIC FURNACE FOR RECOVERY OF ZINC FROM LEAD BLAST FURNACE SLAG

Abstract

A mathematical model has been developed for fluid flow and heat transfer in a prospective process to recover lead and zinc by a DC electric fuming process from lead blast furnace slag. The modelling consisted of several steps. Algebraic equations were used to obtain arc momentum and temperature. Fluid flow simulations were performed to calculate the top slag surface depression and the results were then imposed upon the subsequent fluid flow and heat transfer simulation. Using this procedure, a number of simulations of the DC arc furnace operation were carried out for various conditions. Velocities and temperatures in the slag and metal, as well as sidewall heat fluxes were evaluated with the model. The model predicts, in most cases, that the sidewall heat fluxes were less than 200 kW/m² and they would increase with decreasing furnace diameter and decreasing slag solidus temperature. The results of the model have been useful in the design of a furnace.

On a développé un modèle mathématique de l’écoulement des fluides et de la transmission de chaleur pour un procédé prospectif de récupération du plomb et du zinc par un procédé d’ébullition avec courant électrique continu à partir de la scorie de plomb du haut-fourneau. La modélisation consiste en plusieurs étapes. On a utilisé des équations algébriques pour obtenir la quantité de mouvement et la température de l’arc. On a effectué des simulations d’écoulement de fluide pour calculer la dépression de la surface de la scorie et l’on a ensuite imposé les résultats à la simulation subséquente d’écoulement de fluide et de transmission de chaleur. Utilisant cette procédure, on a exécuté un certain nombre de simulations du fonctionnement du four à arc à courant continu sous des conditions variées. Au moyen du modèle, on a évalué la vélocité et la température de la scorie et du métal ainsi que le flux de chaleur des parois latérales. Dans la plupart des cas, le modèle a prédit que le flux de chaleur des parois latérales était moins de 200 kW/m² et qu’il augmenterait avec une diminution du diamètre du four et une diminution de la température de solidus de la scorie. Les résultats du modèle ont été utiles pour la conception d’un four.     

Kinetic analysis of silicothermic process under flowing argon atmosphere

The Pidgeon process, a silicothermic reduction of calcined dolomite under vacuum, is the dominant process to make magnesium metal. Experimental data from Morsi et al., were utilised for kinetics analysis of silicothermic reduction of calcined dolomite under argon atmosphere. A number of kinetic models were assessed to evaluate the rate-controlling step in the process. The results suggest that the reaction is controlled by the solid-state diffusion of reactants with the Jander and Ginstling–Brounshtein model providing the best representation of the process kinetics. Mass transfer effects of magnesium vapour from the surface to the bulk gas phase was also analysed. These results suggest that gas–film mass transfer is not the limiting step of the kinetics. Pore diffusion through briquettes is postulated to have some effect on the kinetics but solid-state diffusion is the major rate-limiting step.

Le procédé Pidgeon, une réduction silicothermique sous vide de dolomie calcinée, est le procédé dominant de production de magnésium métallique. On a utilisé les données expérimentales de Morsi et al pour l’analyse cinétique de la réduction silicothermique de dolomie calcinée sous une atmosphère d’argon. On a estimé un certain nombre de modèles cinétiques afin d’évaluer l’étape du procédé cinétiquement limitante. Les résultats suggèrent que la diffusion à l’état solide des réactants contrôle la réaction, le modèle de Jander et Ginstling-Brounshtein fournissant la meilleure représentation de la cinétique du procédé. On a également analysé les effets du transfert massique de la vapeur de magnésium de la surface vers le c?ur de la phase gazeuse. Ces résultats suggèrent que le transfert de masse gaz-film n’est pas l’étape limitante de la cinétique. On postule que la diffusion par pore à travers les briquettes a un certain effet sur la cinétique mais la diffusion à l’état solide est l’étape majeure cinétiquement limitante.     

Optimisation of metallurgical performance of industrial flotation column using neural network and gravitational search algorithm

Abstract

Extensive advances in computational techniques allowed researchers to develop new search strategies to be used in function optimisation problems. In the present study, an optimisation algorithm, which is called gravitational search algorithm (GSA), and neural networks are integrated to optimise the metallurgical performance of an industrial flotation column at a copper concentrator. In this optimisation algorithm, a collection of masses interact with each other based on the Newtonian gravity and the laws of motion. Accordingly, an industrial flotation column is operated at different operating conditions (i.e. gas velocity, slurry solids %, frother dosage and froth depth) and its metallurgical efficiency is modelled using neural networks. The developed neural network models are used as objective functions for optimisation by GSA. The obtained results indicate that industrial operations can be successfully modelled and optimiszed by applying intelligent techniques.

L’avancement extensif des techniques informatiques a permis aux chercheurs de développer de nouvelles stratégies de recherche à utiliser dans les problèmes d’optimisation de fonction. Dans cette étude, on intègre un algorithme d’optimisation, qui s’appelle Algorithme de Recherche Gravitationnelle (GSA), et des réseaux neuronaux pour l’optimisation du rendement métallurgique d’une colonne industrielle de flottation, à un concentrateur de cuivre. Dans cet algorithme d’optimisation, une collection de masses interagissent, en se basant sur la gravité newtonienne et sur les lois du mouvement. Ainsi, on opère une colonne industrielle de flottation avec différentes conditions de fonctionnement (c’est-à-dire vitesse du gaz, % en solides de la suspension, dose de l’agent moussant et profondeur de l’écume) et l’on modélise son efficacité métallurgique en utilisant les réseaux neuronaux. On utilise les modèles développés du réseau neuronal comme fonctions objectives pour l’optimisation par le GSA. Les résultats obtenus indiquent que l’on peut modéliser avec succès et optimiser les opérations industrielles en appliquant des techniques intelligentes.     

Oxygen gradient in the diffusion layer above graphite undergoing oxidation at 1425 C

Abstract

A tall crucible with a disc of graphite at the bottom was exposed to flowing mixtures of argon-oxygen. A lime-stabilized zirconia oxygen probe was used to determine the oxygen gradient within the crucible. The results are compatible with mass transfer in the gas phase being by Stefan diffusive flow. A slight degree of non-equilibrium among CO, CO₂ and O₂ was detected.

Résumé

Un disque de graphite repose au fond d'un creuset profound autour duquel circule un mèlange gazeux d'oxygène et d'argon.Une sonde à oxygène à base de zircone stabilisé à la chaux a été employèe pour la détermination du gradient d'oxygène à l'intérieur du creuset. Les résultats expérimentaux sont en accord avec les valeurs calculées pour le transfert de masse contrôlè par la diffusion des gaz selon le modèle de Stefan. On constate que le mèlange de CO, CO ₂ et O₂ est légèrement hors d'équilibre.     

A Qualitative Study on the Retention of Mercury From SO2-Containing Process Gases on Copper Smelter Dusts

Abstract

Mercury present in process gases can to some extent be removed in dust filters such as textile bag house filters. The removal efficiency in such filters is dependent on gas composition, gas temperature and properties of dust particles collected in the filter. In the present study, laboratory scale experiments were conducted to study qualitatively the influence of different types of dusts on the retention of mercury in SO₂-containing gases. A gas mixture composed of N₂, SO₂, O₂ and Hg was passed through a textile filter covered with dust. Two different types of dust were used in the experiments: one dust containing mainly Cu- and Fe-sulphides and Fe-oxides and one containing mainly Cu-, Fe, and Zn-oxides and -sulphates. The dusts were studied using microprobe equipment after exposure to the mercury-containing gas. Thermodynamic calculations were carried out for comparison with the experimental results. The study shows that mercury is mainly associated with partially roasted chalcopyrite particles.

Le mercure présent dans les gaz du procédé peut, jusqu'à un certain degré, être enlevé parles filtres à poussière tels que les filtres textiles de l'unité de filtration. L'efficacité d'enlèvement de ces filtres dépend, par exemple, de la composition et de la température du gaz ainsi que des propriétés des particules de poussière recueillies par le filtre. Dans l'étude présente, on a exécuté des expériences à l'échelle du laboratoire afin d'étudier qualitativement l'influence de différents types de poussière sur la rétention du mercure de gaz contenant du SO₂. On a passé un mélange de gaz composé de N₂, de SO₂, d'O₂ et de Hg à travers un filtre textile couvert de poussière. Dans les expériences, on a utilisé deux types différents de poussière; un type de poussière contenait principalement des sulfures de Cu et de Fe ainsi que des oxydes de Fe alors que l'autre type contenait principalement des oxydes et des sulfates de Cu, de Fe et de Zn. On a étudié les poussières à l'aide d'une microsonde après l'exposition au gaz contenant du mercure. On a comparé les calculs thermodynamiques avec les résultats expérimentaux. L'étude montre que le mercure est associé principalement avec des particules de chalcopyrite partiellement grillées.     

Three-dimensional thermal model for vertical direct chill slab casting process

To aid in the designing of an automatic control system, a steady state three-dimensional (3D) thermal model is developed to predict the temperature distributions for an industrial scale vertical direct chill (DC) slab caster for aluminium alloy AA-1050. A single domain approach for the liquid, mushy and solid regions is used by employing the enthalpy porosity technique. The convective heat transfer in the liquid region is taken into account by assuming a slag flow velocity field equal to the casting speed. The predicted thermal field is verified with the numerically predicted temperature field available in the literature and a reasonably good agreement is found. Detailed parametric study is carried out by varying important parameters of this process. Results of the temperature field, sump depth, mushy zone thickness, shell thickness and local surface heat flux are presented and discussed.

Afin d’aider à la conception d’un système de contrôle automatique, on a développé un modèle thermique à 3D en régime permanent pour la prédiction des distributions de température d’une machine de coulée verticale de brames par refroidissement intense et continu (DC) à l’échelle industrielle, pour l’alliage d’aluminium AA-1050. On utilise une approche à domaine unique pour la région liquide, la région pâteuse et la région solide au moyen de la technique d’enthalpie et porosité. On tient compte du transfert de chaleur par convection dans la région liquide en assumant un champ de vitesse d’écoulement de laitier égal à la vitesse de coulage. On vérifie le champ thermique prédit au moyen du champ de température prédit numériquement dans la littérature et l’on obtient un accord raisonnable. On effectue une étude paramétrique détaillée en faisant varier les paramètres importants de ce procédé. On présente et discute les résultats du champ de température, de la profondeur du refoulement, de l’épaisseur de la zone pâteuse, de l’épaisseur de la coquille, et du flux thermique local à la surface.