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.     

Modelling of bubble size in industrial flotation columns

Abstract

One of the commonly used models to estimate the bubble size in flotation columns is the drift–flux model, initially proposed by Wallis in 1962, which estimates the bubble size based on experimental measurements of gas velocity J_g, gas hold-up ?_g and pulp downward velocity J_sl. The model has been considered as an alternative to estimate the average bubble size d₃₂ in flotation cells and columns, when this cannot be measured experimentally, which is usually the case. However, the model has been validated only at laboratory and pilot scale. This paper presents the results of an extensive experimental programme to test the model conducted at the industrial scale. The test programme involved measuring the gas dispersion parameters (J_g, ?_g and d₃₂) in flotation columns at five concentrators. The data collected were used to estimate the average bubble size using the drift–flux model. A good correlation was found between the bubble size estimated with the model and measured experimentally.

L’un des modèles fréquemment utilisés pour évaluer la taille de bulle des colonnes de flottation est le modèle à flux de dérive, proposé initialement par Wallis en 1962, lequel évalue la taille de bulle en se basant sur les mesures expérimentales de la vitesse du gaz (J_g), du volume mort (?_g) et de la vitesse de la pulpe vers le bas (J_sl). On a considéré le modèle comme solution de rechange à l’évaluation de la taille moyenne de bulle (d₃₂) dans les cellules et les colonnes de flottation, lorsque l’on ne peut pas la mesurer expérimentalement, ce qui est habituellement le cas. Cependant, le modèle a été validé seulement à l’échelle du laboratoire et à l’échelle pilote. Cet article présente les résultats d’un vaste programme expérimental pour évaluer le modèle à l’échelle industrielle. Le programme d’évaluation impliquait la mesure des paramètres de dispersion du gaz (J_g, ?_g et d₃₂) dans des colonnes de flottation à 5 concentrateurs. On a utilisé les données captées pour évaluer la taille moyenne de bulle en utilisant le modèle à flux de dérive. On a trouvé une bonne corrélation entre la taille de bulle évaluée avec le modèle et mesurée expérimentalement.     

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.     

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.     

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.     

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.     

Development of a model for copper converting

Abstract

Building on previous work reported in the literature, a dynamic model of the operation of the Peirce-Smith Converter has been developed to describe the distribution of the major elements present. The fundamental principle of the model was a thermodynamic calculation. The situation of non-equilibrium conditions was considered by dividing the converter into different zones linked by predefined flow parameters. The model was verified against actual converter plant data, with the simulated results for the major elements being in good agreement with the plant data. The agreement between plant and calculated data for Pb, and Zn was not as good and more work is required regarding this aspect.

En se basant sur des travaux antérieurs rapportés dans la littérature, on a développé un modèle dynamique de l’opération du Convertisseur de Peirce-Smith afin de caractériser la distribution des principaux éléments chimiques présents. Le principe fondamental de ce modèle repose sur un calcul thermodynamique. On a considéré la situation des conditions hors d’équilibre en divisant le convertisseur en différentes zones reliées par des paramètres d’écoulement prédéfinis. On a confronté le modèle à des données issues du convertisseur d’une usine existante, les résultats simulés montrant un bon accord avec les données de l’usine en ce qui concerne les éléments majoritaires. La concordance des données de l’usine et des valeurs calculées pour le plomb et le zinc n’était pas aussi bonne et, donc, une investigation plus poussée concernant cet aspect du modèle s’avère nécessaire.     

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.     

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.     

COPPER REDUCTION IN ANODE FURNACES WITH NATURAL GAS

Abstract

Liquid gas was used for the reduction of copper in anode furnaces in the “Sarcheshmeh Copper Complex (SCC) of Iran”. New legislation forced the operation to switch from liquid to natural gas for its anode furnaces. Theoretical calculations (heat and mass balance) done by HSC software showed that the flow rate of natural gas had to be increased about 2.9 times compared to liquid gas in order to have the same reduction power and more heat is needed.

In laboratory scale reducing gas was injected into the top of the sample in the furnace. For the first 7 minutes, the process was diffusion controlled and afterward it might be considered as a mixed controlled process. The results of experiments showed that for the same flow rate of reducing gas, the rate of deoxidation of molten copper is almost the same for liquid gas or natural gas, and for combinations of natural and liquid gas. Based on the experimental results, liquid gas was replaced by natural gas in the SCC. The gas consumption efficiency of natural gas was better than for liquid gas. There was good agreement among laboratory results, heat and mass balance calculations and the industrial experience in Sarcheshmeh.

On utilisait du gaz liquéfié pour la réduction du cuivre dans les fours à anode au “Complexe de Cuivre de Sarcheshmeh (SCC) en Iran”. Une nouvelle législation a forcé l’entreprise à passer du gaz liquéfié au gaz naturel pour ses fours à anode. Les calculs théoriques (bilan thermique et massique) effectués au moyen du logiciel HSC ont montré que l’on devait augmenter d’environ 2.9 fois le débit de gaz naturel par rapport au gaz liquéfié pour obtenir le même pouvoir de réduction et que l’on devait fournir plus de chaleur.

À l’échelle du laboratoire, le gaz réducteur était injecté en haut de l’échantillon dans le four. Pendant les 7 premières minutes, le procédé était contrôlé par diffusion et, par la suite, on pourrait le considérer comme étant un procédé à contrôle mixte. Les résultats des expériences ont montré que pour le même débit de gaz réducteur, le taux de désoxydation du cuivre fondu était presque le même pour le gaz liquéfié ou pour le gaz naturel ainsi que pour des combinaisons de gaz naturel et liquéfié. En se basant sur les résultats expérimentaux, on a remplacé le gaz liquéfié par le gaz naturel à SCC. Le rendement de la consommation de gaz était meilleur pour le gaz naturel que pour le gaz liquéfié. Il y avait un bon accord entre les résultats du laboratoire, les calculs de bilan thermique et massique et l’expérience industrielle à Sarcheshmeh.     

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.     

Phase diagram of the system Cu2S–PbS–ZnS at 873–1273 K

An equilibration quenching technique was used in this work to study experimentally the phase relations in the Cu₂S–PbS–ZnS system at the temperature range 873–1273 K. The phase diagrams and optimised thermodynamic data set have been created for the systems PbS–ZnS and Cu₂S–PbS–ZnS with the experimental results of this work and selected data reported in the literature by the CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) method over the temperature range of 773–1473 K. The obtained thermodynamic dataset allows calculation of the thermodynamic properties and phase equilibria in the PbS–ZnS and Cu₂S–PbS–ZnS systems and shows good agreement with experimental results.

Dans ce travail, on a utilisé une technique de trempe d’équilibration pour étudier expérimentalement les relations de phases du système Cu₂S–PbS–ZnS dans la gamme de température de 873 à 1273 K. Utilisant la méthode CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams), on a créé les diagrammes de phases et l’ensemble de données thermodynamiques optimisées des systèmes PbS–ZnS et Cu₂S–PbS–ZnS, dans la gamme de température de 773 à 1473 K, au moyen des résultats expérimentaux de ce travail et de données choisies rapportées dans la littérature. L’ensemble de données thermodynamiques obtenues permet le calcul des propriétés thermodynamiques et des équilibres de phases des systèmes PbS–ZnS et Cu₂S–PbS–ZnS, qui sont en bon accord avec les données expérimentales.     

Modelling and simulation of vacuum filtration of ore slurry: a case study on limestone-hosted Indian uranium ore

This paper discusses the results of vacuum filtration studies carried out on a finely ground uranium ore slurry with the objective of maximizing the filtration rate. Constant-pressure experiments were carried out to determine the filtration parameters such as specific cake resistance, cake permeability and medium resistance. The experimental data were analysed using the well-known power law function of the cake-forming pressure with specific cake resistance and cake concentration. The power law model equation developed was experimentally validated and the predicted values agreed very well with the experimental findings with >95% confidence level. This study helps in design and scale-up of filtration units to be used at industrial – size.

Cet article discute des résultats d’études de filtration sous vide effectuées avec une suspension de minerai d'uranium moulu finement, ayant pour objectif de maximiser la vitesse de filtration. On a effectué des expériences à pression constante afin de déterminer les paramètres de filtration comme la résistance spécifique du comprimé, la perméabilité, la résistance moyenne etc. On a analysé les données expérimentales en utilisant la fonction bien connue de la loi exponentielle de la pression de formation du comprimé, avec sa résistance spécifique et sa concentration. On a validé expérimentalement l’équation développée pour le modèle de loi exponentielle. Les valeurs prédites s'accordaient très bien avec les données expérimentales, avec un niveau de confidence > 95%. Cette étude aide à la conception et à l'agrandissement à l’échelle d'unités de filtration pour utilisation à l’échelle industrielle     

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.     

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.     

A chemical equilibrium model of the imperial smelting blast furnace

Abstract

A mathematical model of the Imperial Smelting lead-zinc blast furnace was developed to determine the critical reactions and to evaluate certain parameters of its operation. The model was based on the assumption that equilibrium existed throughout, except that carbon was assumed not to react until it reached the tuyeres. The two major reactions occurring in the lower parts of the furnace are found to be:

Zn(g) +CO₂ = ZnO +CO (1)

ZnS + Pb = Zn(g) + PbS(g) (2)

The second one has heretofore been neglected, but it is critical in predicting the furnace behaviour. Large quantities of lead, zinc, and sulphur circulate inside the furnace in the tuyere-equilibrium zone. Results calculated by the model show that sinter sulphur content and tap temperature have a major effect on this circulation and on zinc recovery and slag composition. The predicted results and published furnace data are in good agreement, indicating that a calculation that assumes equilibrium is a useful approximation of a real furnace.

Résumé

Un modèle mathématique du haut--fourneau «Imperial Smelting» a zinc et plomb est proposé pour etablir les réactions critiques et pour évaluer certains paramètres de fonctionnement. Le modéle est basé sur la supposition que le système est entièrement en équilibre, sauf le carbone qui est supposé ne pas réagir avant d'atteindre la région des tuyères. On trouve que les deux réactions principales qui s'effectuent au fond du four sont:

Zn(g) +CO₂ = ZnO +CO (1)

ZnS + Pb = Zn(g) + PbS(g) (2)

Bien que la deuxième réaction ait été ignorée jusqu'à présent, la prise en considération de cette réaction est essentielle si on veut prévoir Ie comportement du four. De grandes quantités de plomb, zinc et soufre circulent dans le four dans la région d'équilibre des tuyères. Des calculs a partir du modèle indiquent que la teneur en soufre des boulettes ainsi que la température de la coulée ont une influence importante sur cette circulation ainsi que sur la récupération du zinc et sur la composition des scories. Le fait que les résultats prévus et les données publiees pour ce haut-fourneau soient en bon accord indique qu'un modèle base sur la supposition de l'équilibre est une approximation valable pour un vrai four.     

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.     

THE CaSO4-CaO-Ca3(AsO4)2 PHASE DIAGRAM

Abstract

The phase diagram of the CaSO₄-Ca₃(AsO₄)2-CaO system was measured by differential thermal analysis and by an equilibration and quenching technique. A thermodynamic model was developed giving the Gibbs energy of every phase as a function of temperature and composition. A new ternary compound was observed with a composition near Ca5As2SO13. The Modified Quasichemical Model was used for the liquid solution. Optimized model parameters were obtained by assessing of all available thermodynamic and phase equilibrium data. The model reproduces all the data within experimental error limits. The model was used to calculate the liquidus surface over the temperature range of industrial interest.

Le diagramme de phases CaSO₄-Ca₃(AsO₄)2-CaO a été mesuré par analyse thermique différentielle et par une technique d’équilibration et de trempe. Un modèle thermodynamique a été développé donnant l’énergie de Gibbs pour toutes les phases dans ce système en fonction de la température et de la composition. Une nouvelle phase solide a été observée ayant une composition proche du Ca5As2SO13. La dernière version du modèle quasichimique a été utilisée pour la phase liquide. Les paramètres du modèle ont été obtenus par optimisation en tenant compte de toutes les données thermodynamiques et d’équilibres de phases disponibles pour ce système. Le modèle reproduit toutes les données à l’intérieure des erreurs expérimentales. Le modèle a été utilisé pour calculer la projection du liquidus du système CaSO₄-Ca₃(AsO₄)2-CaO à des températures pouvant être utilisées dans l’industrie.     

Removal of Cr(VI) ions from aqueous solution using foundry waste material: Kinetic and equilibrium studies

Abstract

In the present paper, Cr(VI) ions removal from aqueous solutions by adsorption on waste mould (green) sand was investigated. Waste mould sand is byproduct of the grey iron foundry. Batch adsorption test was carried out to determine the removal characteristic for Cr(VI) ions from aqueous solution. The obtained results are promising in the use of waste mould sand as an efficient low cost and non-conventional adsorbent for the removal of Cr(VI) ions from aqueous solutions. The second order kinetics produced better fitting of results in terms of correlation coefficient which suggests that the adsorption kinetics of Cr(VI) ions on the waste mould sand followed the second order kinetic model. In the isotherm studies, Freundlich, Langmuir, Dubin–Radushevich and Redlich–Peterson isotherm models were applied and it was determined that the experimental data conformed to Langmuir isotherm model.

Dans cet article, on examine l’enlèvement d’ions Cr(VI) de solutions aqueuses par adsorption sur le sable (vert) à moulage résiduel. Le sable à moulage résiduel est un sous-produit de la fonderie de fonte grise. On a effectué un essai d’adsorption en discontinu afin de déterminer les caractéristiques d’enlèvement des ions Cr(VI) d’une solution aqueuse. Les résultats obtenus sont prometteurs quant à l’utilisation du sable à moulage résiduel comme adsorbant efficace non conventionnel et à faible coût pour l’enlèvement des ions Cr(VI) de solutions aqueuses. La cinétique de second ordre a produit un meilleur ajustement des résultats par rapport au coefficient de corrélation, ce qui suggère que la cinétique d’adsorption des ions Cr(VI) sur le sable à moulage résiduel suivait le modèle cinétique de second ordre. Dans les études d’isothermes, on a appliqué les modèles d’isotherme de Freundlich, Langmuir, Dubin, – Radushevich et Redlich – et de Peterson et l’on a déterminé que les données expérimentales se conformaient au modèle d’isotherme de Langmuir.     

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.