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.     

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.     

RESIDENCE TIME OF METAL DROPLETS IN SLAG-METAL-GAS EMULSIONS THROUGH TOP GAS BLOWING

Abstract

A mathematical model for evaluating the residence time of metal droplets in slag-metal-gas emulsions through top gas blowing is proposed. The model is based on the equation of accelerated moving bodies in a moving fluid. The parameters used in the model are based on the available data from both room and high temperature experiments. Using the proposed model provides a formal way to extend the experimental results of the residence time of the droplets for an evaluation of the conditions in an industrial furnace. This connects theoretical understanding, experimental results and plant data in to a coherent and quantitative model of the process.

On propose un modèle mathématique pour évaluer le temps de séjour de gouttelettes de métal dans des émulsions de scorie–métal–gaz par soufflage de gaz vers le haut. Le modèle est basé sur l’équation des corps accélérés en mouvement dans un fluide en mouvement. Les paramètres utilisés dans le modèle sont basés sur les données disponibles provenant tant d’expériences à la température de la pièce qu’à hautes températures. Utilisant le modèle proposé fournit une manière formelle d’étendre les résultats expérimentaux du temps de séjour des gouttelettes à une évaluation des conditions dans un four industriel. Ceci rattache la compréhension théorique, les résultats expérimentaux et les données de l’usine en un modèle cohérent et quantitatif du procédé.     

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.     

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.     

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.     

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.     

Modelling of mixing,mass transfer and phase distribution in a Peirce–Smith converter model

Abstract

This study presents a numerical and physical modelling study of flow pattern, mixing, solid–liquid mass transfer and slag matte phase distribution in an industrial Peirce–Smith converter (PSC) slice model. The two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) numerical simulations of the three phase system were carried out using volume of fluid (VOF) and realisable k?? (RKE) turbulence model to account for the multiphase and turbulence nature of the flow respectively. These models were implemented using the commercial computational fluid dynamics (CFD) numerical code FLUENT. In physical simulations, water, kerosene, air and sintered benzoic acid compacts were used to simulate matte, slag, injected gas and solid additions into PSC. Both numerical and physical simulations were able to predict, in agreement, the mixing and dispersion characteristics of the system in relation to different blowing conditions employed in this study. Measurement of dimensionless turbulence characteristic values conclusively indicated that fluid flow in PSC is stratified.

Ce document présente une étude de modélisation numérique et physique de la configuration de l’écoulement, du mélangeage, du transfert de masse solide-liquide et de la distribution de phase scorie-matte dans un modèle en tranches de convertisseur industriel Peirce–Smith (PSC). On a effectué les simulations numériques 2D et 3D du système à trois phases en utilisant le modèle du Volume de Fluide (VOF) et de la turbulence réalisable (RKE) pour tenir compte des phases multiples et de la nature turbulente de l’écoulement, respectivement. On a exécuté ces modèles en utilisant le code numérique commercial de la dynamique numérique des fluides (CFD) FLUENT. Dans les simulations physiques, on a utilisé de l’eau, du kérosène, de l’air et des compacts frittés d’acide benzoïque pour la simulation de la matte, de la scorie, du gaz d’injection et des additions de solide dans le PSC. Les simulations numériques et physiques étaient toutes deux capables de prédire, en accord, les caractéristiques de mélangeage et de dispersion du système en relation avec les différentes conditions de soufflage utilisées dans cette étude. La mesure des valeurs caractéristiques sans dimension de la turbulence indiquait décisivement que l’écoulement du fluide dans le PSC était stratifié.     

Electric resistivity of fine chromite ore: measurement and prediction

Abstract

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

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

THE TRANSITION FROM FREE STREAM FLOW TO DRIPPING IN DRAINING VESSELS

Abstract

In numerous metals processing operations, molten metal is transferred between furnace and ladle or ladle and tundish. In other operations such as the atomization of melts, the stream is directed from a nozzle into an atomizing chamber. The control of melt flow rate, the generation of a well defined stream and the transition from free stream flow to dripping are useful conditions to quantify. A model is proposed in this work to calculate the height of a fluid in a vessel where the stream flowing from an orifice at the bottom of the vessel will revert to dripping. The model accounts for fluid properties including density, viscosity and surface tension. Model results clearly show that melt viscosity is a critical variable in determining the melt height at which flow reverts from a continuous stream to dripping.

Dans de nombreuses opérations de traitement des métaux, le métal fondu est transféré entre le four et la poche de coulée ou entre la poche de coulée et le distributeur. Pour d’autres opérations comme l’atomisation de métaux fondus, le flot est dirigé d’un injecteur vers une chambre d’atomisation. Le contrôle du débit de métal fondu, la production d’un flot bien défini et la transition d’un écoulement de flot libre en un égouttement sont des conditions utiles à quantifier. Dans ce travail, on propose un modèle pour calculer la hauteur d’un fluide dans une cuve où le flot s’écoulant d’un orifice au bas de la cuve va se changer en un égouttement. Le modèle tient compte des propriétés du fluide, incluant la densité, la viscosité et la tension superficielle. Les résultats du modèle montrent clairement que la viscosité du métal fondu est une variable critique dans la détermination de la hauteur de métal fondu à laquelle l’écoulement se change d’un flot continu en un égouttement.     

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

Abstract

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

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

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.     

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.     

Dissolution kinetics of chromium ore in slag system for stainless steelmaking

Abstract

To reveal the smelting reduction mechanism of chromium ore for producing stainless steel in converter, the dissolution behaviour of chromium ore in CaO–SiO₂–MgO–Al₂O₃ slag system was studied by laboratory experiments, and the effects of different temperatures and slag compositions on the dissolution rate of chromium ore in slag were investigated. A kinetic model for the dissolution process of chromium ore was developed for the first time. The dissolution process of chromium ore is controlled by the surface dissolution reaction under the conditions of the present experiments. The effects of temperature, slag composition and particle size of chromium ore on the dissolution rate of chromium ore are relatively great. The chromium ore sand is suggested to be used as raw material in the smelting reduction converter.

Afin de révéler le mécanisme de réduction de la fusion du minerai de chrome pour la production d'acier inoxydable dans un convertisseur, on a étudié le comportement de dissolution du minerai de chrome dans le système de laitier CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃, par des expériences en laboratoire. On a examiné l'effet des différentes températures et compositions de laitier sur la vitesse de dissolution du minerai de chrome dans le laitier. Pour la première fois, on a développé un modèle cinétique du procédé de dissolution du minerai de chrome. Le procédé de dissolution du minerai de chrome est contrôlé par la réaction de dissolution à la surface sous les conditions des présentes expériences. Les effets de la température, de la composition du laitier et de la taille de particule du minerai de chrome sur la vitesse de dissolution du minerai de chrome sont relativement importants. On suggère que le sable de minerai de chrome soit utilisé comme matériau brut dans le convertisseur de réduction de fusion.     

Fuzzy logic model of lime enhanced hydrogen reduction of cuprous sulphide

Traditional methods for metal extraction from sulphide minerals cause environmental pollutions. In recent decades, direct hydrogen reduction in the presence of lime has attracted an increasing attention among metal-sulphide separation methods. This study aimed to represent an alternative technique for the modelling lime enhanced direct hydrogen reduction process with a fuzzy logic model. The focus of this paper is to find a well defined relationship among the vital variables including bulk temperature, ratio of molar quantities of the solid reactants, pellet diameter, porosity, sulphide particle size, weight loss of the pellet, sulphur fixation in the pellet, and reaction completion time using a fuzzy logic model scheme. Finally, the results predicted by the fuzzy logic model were evaluated and validated against a mathematical model and experimental data.

Les méthodes traditionnelles d’extraction du métal à partir de minéraux sulfureux engendrent une pollution environnementale. Dans les dernières décennies, on a porté une plus grande attention à la réduction directe de l’hydrogène en présence de chaux, parmi les méthodes de séparation du métal-sulfure. Cette étude avait pour but de représenter une technique de rechange pour la modélisation du procédé de réduction directe de l’hydrogène, augmentée par la chaux, au moyen d’un modèle de logique floue. Le point central de cet article est de trouver une relation bien définie parmi les variables vitales, incluant la température globale, le rapport des quantités molaires des réactants solides, le diamètre des boulettes, la porosité, la taille de particule du sulfure, la perte de poids de la boulette, la fixation du soufre dans la boulette et le temps d’exécution de la réaction en utilisant un schéma de modèle de logique floue. Finalement, on a évalué et validé les résultats prédits par le modèle de logique floue contre un modèle mathématique et des données expérimentales.     

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.     

Estimation of liquidus temperature for B2O3- and TiO2- containing fluoride free mould fluxes from activation energy for viscous flow and DTA measurements

Abstract

Liquidus temperatures of fluoride free mould fluxes simultaneously containing B₂O₃ and TiO₂ have been estimated from two methods, the activation energy for viscous flow and the DTA technique. Generally, the liquidus temperatures determined from the two methods are in good agreement. With the increase in B₂O₃ and TiO₂ content, the variation of liquidus temperatures for fluoride free mould fluxes estimated from the two methods is consistent. As the TiO₂ content increases, liquidus temperatures of the slags initially decrease and then increase. With the increase in B₂O₃ content, the liquidus temperatures of the slags decrease. Further quenching experiments reveal that there is no crystal precipitation in the slag at the liquidus temperature determined from DTA, while some crystal can be observed in the slag at the liquidus temperature determined from the activation energy for viscous flow. Superheating and supercooling effects which could bring errors in determining liquidus temperature by using the two methods are discussed.

On a estimé les températures du liquidus de fondants sans fluorure pour moule contenant simultanément du B₂O₃ et du TiO₂, à partir de deux méthodes, l’énergie d’activation pour écoulement visqueux et la technique de DTA. Généralement, les températures de liquidus déterminées à partir des deux méthodes étaient en bon accord. Avec l’augmentation de la teneur en B₂O₃ et en TiO₂, la variation des températures de liquidus des fondants sans fluorure pour moule, estimée à partir des deux méthodes, va de pair. À mesure que la teneur en TiO₂ augmente, les températures de liquidus des scories diminuent initialement et ensuite, augmentent. Avec l’augmentation de la teneur en B₂O₃, les températures de liquidus des scories diminuent. Des expériences additionnelles de trempe révèlent qu’il n’y a pas de précipitation de cristal dans la scorie à la température de liquidus déterminée à partir du DTA, alors qu’on peut observer quelques cristaux dans la scorie à la température de liquidus déterminée à partir de l’énergie d’activation pour écoulement visqueux. On discute des effets de surchauffe et de surfusion qui peuvent conduire à des erreurs dans la détermination de la température de liquidus au moyen de deux méthodes.     

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.     

Recent Developments in the Environment Process

Abstract

The EnvIRONment process, invented by Prof. H. K. Worner, has been developed to treat metallurgical and organic wastes using pyrometallurgical technology. Developed at the University of Wollongong, the process successfully overcomes many of the technical challenges of processing ferruginous waste. Composite pellets of ferruginous, typically steelworks dust, and organic waste are bath smelted in a DC arc furnace, utilising a deep slag layer to produce iron, an innocuous slag, and a zinc enriched fume.

Process viability has been demonstrated with over 4 years of trials in a purpose built 100 kg DC arc furnace. The suitability of bath smelting for processing of wastes, in particular metallurgical wastes, has been sufficiently encouraging that commercialisation of the EnvIRONment process is being pursued.

Fundamental research being undertaken within the Department of Materials Engineering at the University ofWollongong is addressing unresolved aspects of the pyrometallurgical reactions operating within the process. The aim of the research is to quantify process kinetics while gaining a greater understanding of reduction mechanisms and the smelting behaviour of composite pellets. To date kinetic interpretation has been complex, however it is evident that the reaction of the composite pellets is influenced by several parameters including pellet chemistry and heating rate. Smelting of the composite pellets in slag was found to occur via dissolution of FeO and metallic iron at the slag-pellet interface. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Le procédé “EnvIRONnement”, inventé par le prof. H. K. Worner, a été développé pour traiter les déchets métallurgiques et organiques en utilisant une technique pyrométallurgique. développé à l'université de Wollongong, le procédé surmonte avec succ è s plusieurs defis techniques du traitement des déchets ferrugineux. Des boulettes composites de dechets ferrugineux, typiquement des poussieres d'acieries, et de dechets organiques sont fondues dans un bain dans un four à arc à courant continu, utilisant une couche é paissede laitier pour produire du fer, un laitier inoffensif et de la vapeur enrichie de zinc.

On a demontre la viabilite du procédé par plus de 4 ans d'essais dans un four à arc à courant continu de 100 kg construit specialement dans ce but. L'aptitude de la fusion en bain pour le traitement des dechets, en particulier des dechets metallurgiques, a été suffisamment encourageante pour que l'on poursuive maintenant la commercialisation du procédé “EnvIRONnement”.

La recherche fondamentale entreprise prDésentemenau Département d'Ingénierie des matériaux à l'universite de Wollongong adresse des aspects non résolus des reactions pyrometallurgiques en operation lors du procede. Le but de cette recherche est de quantifier la cinetiquedu procede tout en obtenant une plus grande comprehension des mecanismes de reduction et ducomportement de fusion des boulettes composites. Jusqu'a maintenant, l'interpretation cinetique a été complexe, cependant il est evident que la reaction des boulettes composites est influenceepar plusieurs parametres incluant la chimie des boulettes et le taux de chauffage. On a trouvé quela fusion des boulettes composites dans le laitier se produisait par l'intermé diaire de la dissolution du FeOet du fer metallique à l'interface laitier-boulette. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

METAL RECOVERY FROM KIVCET SLAG

Abstract

Following work on the recovery of metallic values from final fumer slag in lead-zinc refineries [1,2], a study was conducted on the potential to reduce lead and zinc directly from Kivcet slag and potentially obviate the need for slag fuming. Slag from the Kivcet process for lead production is an FeO(Fe₂O₃)-CaO-SiO₂ slag containing roughly 16% zinc, 10% lead and some trace elements such as antimony, arsenic, indium and germanium. Metal recovery from this slag was examined using three methods employed for the fumer slag study: 1) holding at temperature to allow the divalent iron to reduce the metal ions into the gas phase; 2) equilibration with a copper “getter” and 3) electro reduction into a liquid copper cathode using a graphite anode.

The presence of metallic lead and carbon in the Kivcet slag has a significant influence on the recovery of metal from the slag in subsequent processing. Holding of the slag at temperature permitted the recovery of much of the metallic lead as vapour and some small recovery of zinc as fume. When copper was used as a getter, more zinc and lead were recovered. In electrorefining, lead recovery was much higher than that in equilibrating with copper, but there was no obvious enhancement in zinc recovery. Aseries of experiments were also conducted in which Kivcet slag was treated to remove some of the zinc and the lead and then was electrorefined three times. The zinc and lead contents in the final slag decreased to 5.9 and 0.3%, respectively. Although most of the lead was recovered, further refining would still be required to capture the remaining zinc metal.

À la suite du travail de récupération des valeurs métalliques de la scorie finale de “fumer” des raffineries de plomb–zinc, on a effectué une étude sur la possibilité de réduire le plomb et le zinc directement à partir de la scorie de Kivcet et possiblement d’éliminer la réduction des scories. La scorie du procédé de Kivcet pour la production de plomb est une scorie de FeO(Fe₂O₃)-CaO-SiO₂ contenant approximativement 16% de zinc, 10% de plomb et quelques éléments trace comme l’antimoine, l’arsenic, l’indium et le germanium. On a examiné la récupération du métal de cette scorie en utilisant trois méthodes employées dans l’étude de scorie de “fumer”: 1) maintenir à la température pour permettre au fer divalent de réduire les ions de métal dans la phase gazeuse; 2) équilibration avec un “getter” de cuivre et 3) réduction électrolytique dans une cathode de cuivre liquide en utilisant une anode en graphite.

La présence de plomb et de carbone métalliques dans la scorie de Kivcet a une influence importante sur la récupération du métal de la scorie dans un traitement subséquent. Le maintien de la scorie à la température a permis la récupération de presque tout le plomb métallique sous forme de vapeur et d’une petite partie du zinc sous forme de fumée. Lorsque l’on a utilisé le cuivre comme getter, on récupérait une plus grande quantité de zinc et de plomb. Avec l’électroaffinage, la récupération du plomb était beaucoup plus élevée qu’avec la méthode d’équilibration avec le cuivre, mais il n’y avait pas d’amélioration évidente pour la récupération du zinc. On a également effectué une série d’expériences où la scorie de Kivcet était traitée afin d’enlever une partie du zinc et du plomb et était ensuite électroaffinée trois fois. La teneur en zinc et en plomb de la scorie finale était réduite à 5.9 et à 0.3%, respectivement. Bien que presque tout le plomb était récupéré, un raffinage additionnel serait encore nécessaire pour capturer le reste de zinc métallique.