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

Abstract

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

Résumé

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

Texture and anisotropy of zirconium in relation to plastic deformation

Abstract

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

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

Résumé

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

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

Effect of oxygen and fabrication variables on the mechanical properties of Zircaloy tubing

Abstract

The effects of oxygen concentration and fabrication variables on the mechanical properties of Zircaloy-2 tubing were investigated.

The strength can be adjusted with a sma11loss of ductility by controlling oxygen concentration. Cold reduction in the range of this study has a large effect on recrystallization and ductility but little on texture. The Q value, the ratio of the wall thickness reduction to the diameter reduction during fabrication, has a significant effect on texture, hydride orientation and deformation behaviour.

Tubes produced with a high Q value possess a superior combination of strength and ductility than tubes produced with a low Q value.

In burst testing, axial contraction contributes greatly to the circumferential elongation due to the difficulty of thickness reduction in high- Q tubes. In low- Q tubes, both thickness reduction and axial contraction, which is smaller than that in high-Q tubes, contribute to the circumferential elongation.

In practice, the optimum fabrication conditions for each fuel design must be determined.

Résumé

Les effets de la teneur en oxygène et du mode de fabrication sur les propriétés mécaniques de tubes en Zircaloy-2 ont été étudiés.

En controlant la teneur en oxygène, la résistance de ce matériau peut être ajustée avec une faible diminution de la ductilité. Dans le domaine de cette étude, l'écrouissage a une forte influence sur la recristallisation et la ductilité mais trés peu sur la texture. La valeur de Q (rapport entre la réduction de l'épaisseur des parois du tube et la réduction du diamétre) joue un rôle significatif sur la texture, sur l'orientation des hydrures et sur le comportement à la déformation.

Les tubes fabriqués avec une forte valeur de Q ont une meilleure combinaison de résistance et de ductilité.

Lors d'essais d'ec1atement, la contraction axiale contribue beaucoup a l'allongement circonférentiel pour les valeurs élevées de Q, car l'épaisseur des parois peut difficilement être réduite. Pour les faibles valeurs de Q la réduction de l'épaisseur et la contraction axialc, inférieure dans un cas précédent, contribuent simultanément à l'allongement circonférentie1.

En pratique il est nécessaire, pour tous les cas, de déterminer les conditions optimales de fabrication.     

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

Abstract

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

Résumé

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

Modeling of Transient Flow Phenomena in Continuous Casting of Steel

Abstract

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

Résumé

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

Modeling of Casting Solidification Stochastic or Deterministic?

Abstract

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

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

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

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

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

Résumé

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

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

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

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

Basic electric furnace slag-line and bank maintenance refractories

Abstract

The balancing of electric furnace lining wear can be accomplished by the use of hot-maintenance refractories in the harsh slag-line and bank wear areas. The maintenance materials used resist severe chemical attack in the slag-line and high-temperature erosion in the banks.

The design of Basic specialty products for these areas is constrained by the necessity for the products to: (1) be applied through a pneumatic gun, (2) adhere on impact with the hot wall and (3) densify within minutes after application. These limitations require that the accepted optimum refractory properties be compromised in maintenance materials.

Raw materials available for formulating Basic specialty products include high-purity periclase, dead-burnt magnesite, dead-burnt dolomite and chrome ore. To these are added binders, plasticizers and sintering aids.

Laboratory-determined physical property data can be related to the mineralogical structure deriving from the raw materials and additives employed, and to the chemical attack and erosion resistance of a given refractory composition. These correlations allow for the design and selection of electric furnace maintenance products based on the specific conditions encountered.

Résumé

On peut égaliser l'usure des revêtements des fours électriques par l'usage des réfractaires entretien-à-ehaud dans les régions d'usure sévère de la ligne du laitier et des banes. Il faut que les matériaux d'entretien résistent à l'attaque chimique sévère dans la ligne du laitier et à l' érosion a hautes témperatures dans les banes.

Le design des produits spéciaux “Basic” pour ces régions est contraint par les conditions que le produit: (1) soit appliqué par pulvérisateur pneumatique (2) s'attache au moment de l'impact avec la paroi chaude, (3) se solidifie quelques minutes apres l'application. Ces restrictions nécessitent un compromis des propriétés réfractaires optimales acceptées dans le cas des matériaux d' entretien.

Les matières premières disponibles pour la fabrication des produits spéciaux “Basic” sont: la periclase de haute purité, la magnésie calcinee, la dolomite calcinée, et le minerai du chrome. En plus, on peut ajouter des agglomérants, des plastifiants, et des produits pour aider le frittageo.

On peut relier les propriétés physiques mesurées dans le laboratoire à la structure minéralogique qui en résulte des matières premières et des additions utilisées, ainsi qu'à l'attaque chimique et à la résistance a l' érosion d'un réfractaire d'une composition donée. Ces corrélations nous permettent de concevoir et de sélectionner des produits d'entretien pour des fours électriques basé sur les conditions spécifiques réelees.     

Computational Fluid Dynamics Applied to Twin-Roll Casting

Abstract

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

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

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

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

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

Résumé

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

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

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

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

On a aussi demontre que Iejet a fente donne de plus faibles niveaux de turbulence à la surface libre, ce qui peut avoir des effets positifs sur la qualité du produit. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

The Effect of Low Finish Rolling Temperatures on the Structure and Properties of an HSLA Steel

Abstract

A commercially produced HSLA steel was rolled at 980°C, 780°C and 660°C to study the effects of three different types of microstructure and texture on the tensile and impact properties of the product. The rolling reductions varied between 63 and 67%. The tensile and impact properties were measured in the longitudinal direction and compared with those of the original stock. Deformation at all three temperatures produced a textured product, although in the material deformed at 980°C it was very weak as partial recrystallisation had occurred prior to transformation. Rolling at 980°C and 780 °C produced little change in tensile properties although the microstructures in the two cases were very different. Rolling at 660°C produced a 66% increase in yield strength but with a loss in ductility. The impact toughness was improved in all three cases. After similar rolling reductions at 660°C the HSLA steel has a higher impact transition temperature than mild steel. This difference is partially attributable to the weaker {100}textural component in the HSLA steel.

Résumé

Un acier commercial HSLA a été laminé à 980°C, 780°C et 660°C pour étudier les effets de trios différents types de microstructure et de texture sur les caractéristiques de traction et d'impact de ce produit. Les pourcentages de réduction variaient entre 63 et 67%. Les propriétés en traction et à l'impact furent mesurées dans la direction longitudinale et comparées à celles du stock d'origine. Aux trois températures la déformation produisit une texture, faible toutefois dans le matériau déformé à 980°C puisqu'une recristallisation partielle avait eu lieu avant la transformation. Bien que les microstructures soient très différentes dans les deux cas, les laminages à 980°C et 780°C n'ont'introduit que de faibles changements aux caractéristiques de traction. Le laminage à 660°C produisit un accroissement de 66% de la limite d'écoulement mais avec une perte de ductilité. La ténacité fut améliorée dans les trois cas. Apres des réductions similaires lors du laminage à 660°C, l'acier HSLA a, pour l'impact, une temperature de transition plus élevée que celle de l'acier doux. Cette différence peut être partiellement attribuée à une composante de texture {100} plus faible dans l'acier HSLA.     

A numerical method for evaluating and predicting high-temperature thermal properties of carbides

Abstract

A numerical method has been developed to evaluate the high-temperature heat content data of solids. Although the method has been successfully applied to several refractory metal carbide phases only, it is equally applicable to any kind of solids. Moreover, this method allows one to predict heat content values of solids at high temperatures where data are lacking. Predictions of bulk modulus values at room temperature and heat content values at non-stoichiometric compositions for alloys with wide range of homogeneity are possible but the validity of the predictions has not been entirely established due to lack of sufficient data in the literature.

Résumé.

On a mis au point une méthode numérique d'evaluation des données d'enthalpie à haute température pour les solides. Quoique la méthode n'ait été, jusqu'ici, utilisée que pour plusieurs phases de carbures de métaux réfractaires (et ce, avec succès), elle s'applique à tous les types de solides. De plus, cette méthode permet de prédire les valeurs d'enthalpie des solides à des températures elevées lorsque les données ne sont pas disponibles. On peut aussi prédire les valeurs du module global à l'ambiante et les valeurs de l'enthalpie pour des compositions non stoïchiometriques, dans le cas d'alliages ayant un large intervalle d'homogénéité. Cependant, la validité des prédictions n'a pu être démontrée avec certitude par suite d'un manq ue de données dans la littérature.     

Forces necessary to displace a defect-free grain boundary

Abstract

A systematic study was undertaken to calculate the energy associated with displacing a defect-free grain boundary from its minimum energy configuration. The energy required to slide the two crystals with respect to each other was determined by using pairwise potentials to simulate the atomic interactions. The energy required to displace the crystals was used to determine the forces necessary to displace the two crystals in the grain boundary plane. This study showed that the contours of the energy versus displacement curves were similar in the vicinity of the minimum for displacements in the boundary plane, both parallel and perpendicular to the tilt axis. Furthermore, the energy profiles were similar for both the case where the separation of the two crystals perpendicular to the boundary plane was adjusted to obtain the minimum energy, and the case where the separation was held constant

Several potentials were employed in this study, and the energy contours appeared to be relatively independent of the potential used. However, it was found that those potentials adjusted for truncation of the neighbour separation produced smoother curves and the resulting forces showed less perturbation in the vicinity of the minimum. The conclusion of this study is that for substantial grain boundary displacements to occur in real materials some sort of grain boundary defect would be required, since the forces required to displace defect-free boundaries are higher than observed.

Résumé

Une étude systematique a été entreprise afin de calculer l' énergie requise pour Ie déplacement, à partir de sa configuration d' énergie minimale, d'un joint de grain libre de défaut.

L' énergie requise pour faire glisser les deux cristaux l'un par rapport agrave; l'autre a été déterminée en utilisant des potentiels en couple dans Ie but de simuler les interactions atomiques. L' énergie requise pour Ie déplacement des cristaux a été utilisée pour déterminer les forces nécessaires à ce déplacement dans Ie plan du joint. Cette étude a révélé que les contours d'énergie en fonction des courbes de déplacement sont semblables au voisinage du minimum dans Ie cas de déplacements dans Ie plan du joint, et ce, pour des duections paralléles ou perpendiculaires à l'axe de flexion. De plus, les profils d'énergie sont semblables dans Ie cas pour lequel la séparation entre les deux cristaux, perpendiculaire au plan du joint, était ajustée pour obtenir l' énergie minimale, et également dans les cas pour lesquels la séparation était maintenue con stante.

Plusieurs potentiels furent utilisés dans cette étude et les contours d' énergie se sont révélés ètre relativement indépendants du potential employé. Cependant, il est apparu que les potentiels ajustés pour obtenir une diminution de la distance entre plus proches voisins donnaient des courbes plus lisses et les forces résultantes présentaient moins de variation au voisinage du minimum. La conclusion de cette étude est que tout déplacement important des joints de grains, dans des métaux réels, doivent impliquer certains types de défauts, car les forces requises pour déplacer des joints libres de défaut sont plus élevées que celles observées expérimentalement.     

Predicting microstructure from heat flow calculations in electron beam welded eutectoid steels

Abstract

The thermal history of an array of points in the neighbourhood of an electron beam weld is calculated from Rosenthal's solution for two-dimensional heat flow. Calculations are included for typical electron beam welding parameters and the results are presented in terms of isotherms, temperature profiles, and as heating and cooling curves. From isotherms the extent of the fusion and transformed zones are predicted. Heating rates of the order of 10,000° C/sec are typical in electron beam welding. Similarly high cooling rates are predicted where temperatures are high. Microstructure is predicted from the calculated cooling curve of a point and the continuous cooling transformation diagram. The microstructure of low-hardenability steels is most sensitive to the input energy per unit area which strongly influences the cooling curve at short times on a continuous cooling transformation diagram. The microstructure of high-hardenability steels depends largely on the preheat temperature, which predominantly controls the cooling curve at long times on the continuous cooling transformation diagram. The analysis applies equally to laser and plasma welding.

Résumé

Les auteurs ont calculé, au moyen de la solution de Rosenthal pour un écoulement de chaleur bidimentionnel, le comportement thermique d'un réseau de points au voisinage d'un cordon de soudure par faisceau électronique. Pour des paramètres typiques de soudage par faisceau électronique, les calculs sont développés et les résultats sont présentés sous forme d'isothermes, de proil1s thermiques et de courbes de chauffage et de refroidissement. A partir des isothermes le domaine de fusion et des zones transformées est présentée Des taux de chauffage typique de ce ogenre de soudage sont de l'ordre de 10,000°C/sec et de fa?on analogue des taux de refroidissement élevé sont prévus quand la température est haute. A partir de la courbe de refroidissement d'un point et du diagram me de transformation en refroidissement continu les microstructures de ce point sont prédites. La microstructure d'aciers faiblement durcissables est fort sensible à l' énergie par unité de surface qui influence fortement la courbe de refroidissement à des temps courts du diagram me alors que, pour un acier facilement durcissable, la microstructure dépend davantage sur la température de préchauffage qui contrôle la courbe de refroidissement pour les temps longs du diagramme de transformation. Cette analyse peut également s'appliquer au soudage par laser ou par plasma.     

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.     

The Influence of Thermofluids Phenomena in Gas Tungsten ARC Welds in High and Low Thermal Conductivity Metals

Abstract

A comprehensive thermofluids numerical model of stationary gas tungsten arc (GTA) welding has been developed and used to examine the effects of thermofluids phenomena on the temperatures and flow velocities in the weld pool and their impact on the resultant weld dimensions for welds produced in high vs low thermal conductivity metals. A dynamic grid re-mapping technique was used to map a block of finite elements into the liquid weld pool to permit use of a k-ε turbulence model in the liquid. Simulations for low conductivity AISI 304 stainless steel show that good correlation with experimental data was only possible if the effects of fluid flow and turbulent mixing in the weld pool were modeled accurately. Conversely, simulations in higher conductivity metals, 6061 and 1100 aluminum, showed that while the average flow velocities and level of turbulence were higher, their effect on the final temperatures and weld pool dimensions were less significant. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

On a développé et utilisé un modèle numérique détaillé de thermofluides du soudage stationnaire TIG (GTA) afin d'examiner les effets des phénomènes des thermofluides sur les températures et les vitesses d'écoulement dans le bain de fusion. On a aussi examiné leur impact sur les dimensions de la soudure qui en résulte pour des soudures produites avec des métaux à haute conductivité thermique par rapport a des metaux a basse conductivite. On a utilisé une technique dynamique de re-cadrage de grille pour délimiter un bloc d'éléments finis dans le bain de fusion liquide afin de permettre l'utilisation d'un modèle de turbulence k-ε dans le liquide. Les simulations avec AISI 304, un acier inoxydable à basse conductivité, montrent qu'une bonne correlation avec les données expérimentales est possible seulement si les effets de l'écoulement du fluide et de l'agitation turbulente dans le bain de fusion sont modèlises avec precision. Inversement, les simulations de métaux à conductivité plus éleveé, aluminium 6061 et 1100, ont montré qu'alors que les vitesses moyennes d'écoulement et le niveau de turbulence etaient plus élevés, leur effet sur les températures finales et sur les dimensions du bain de fusion était moins important. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

A re-evaluation of the Hall-Peteh analysis

Abstract

Careful studies of the effects of grain size, temperature and strain rate on the lower yield stress of body-centred cubic transition metals have shown, through the application of rate theory, that changing anyone of these variables can change the rate-controlling deformation mechanism. Thus, theoretical models of the grain size dependence of yield stress based on one mechanism, such as have been developed to interpret the Hall-Petch equation, must be regarded as inadequate. A recent set of experimental results on niobium published by Szkopiak show that three different sets of Hall-Petch parameters, characteristic of different grain size ranges, can be obtained at room temperature. Each one of these is probably characteristic of a particular rate-controlling Liiders band propagation mechanism. There is probably a hitherto overlooked “inherent grain size effect” resulting from a variation in the width of the Luders front with grain diameter, which can account for at least part of the grain size dependence of yield stress.

Résumé

Des études minutieuses des effets de la taille du grain, de la température, de la vitesse de déformation sur la limite inférieure d'élasticité des métaux de transition de structure cubique centrée, par application des théories de l'activation, montrent que la variation d'une de ces variables peut modifier le mécanisme de déformation contrôlé par la vitesse. Par conséquent, les modèles théoriques de l'influence de la taille du grain sur la limite d'élasticité, fondés sur un seul mécanisme, tels qu'ils ont été développés pour interpréter l'équation de Hall-Petch, doivent être considérés comme inadéquats. Dne récente série de résultats expérimentaux sur le niobium, publiée par Szkopiak, montre que trois valeurs différen tes des parametres de Hall-Petch, caractéristiques d'un intervalle donné de taille de grains, peuvent être obtenues à température ambiante. Chacune de ces valeurs est probablement caractéristique d'un mécanisme particulier de propagation des bandes de Luders. Il existerait probablement un effet intrinsèque de la taille du grain, jusqu'ici ignoré, résultant de la varition de la largeur du front de Luders en fonction du diamètre du grain, ce qui peut expliquer en partie l'effet de la taille du grain sur la limite d'élasticité.     

The recovery of non-ferrous metals from secondary copper smelter discard slags

Abstract

The use of carbothermic reduction as a method of recovering copper and other non-ferrous metals from smelter discard slags has been examined. Although several pilotscale tests (referred elsewhere) showed that the recovery of copper into a base metal can exceed 70%, even for a slag originally containing only 1.5% copper, it was considered that further studies under controlled laboratory conditions were necessary to obtain a better understanding of the reduction mechanisms involved. Results from these laboratory studies show that not only is the extraction of copper related to the copper and iron contents of the original slag, but the initial slag composition also influences the composition of the base-metal. With the data obtained it is now possible to estimate the grade-recovery relationship from slags of different compositions. The physical and chemical nature of the slags after treatment is also discussed and it is concluded that refractory attack, and the subsequent assimilation of the refractory into the slag matrix may play a significant role in the mechanism by which metals are retained in slags.

Résumé

La méthode de réduction carbothermique pour la récupération du cuivre et d'autres métaux non ferreux des laitiers mis au rebut d'une fonderie a été examinée. Plusieurs essais à l'échelle pilote ont démontré que la récuperation du cuivre au moyen d'un vil métal peut excéder 70%, même pour un laitier contenant seulement 1.5% eu au départ. On considère alors que les etudes approfondies dans les conditions contrôlées en laboratoire étaient nécessaires pour obtenir une meilleure connaissance des mécanismes de la réduction. Les résultats expérimentaux montrent que l'extraction du cuivre dépend de la teneur originale en cuivre et en fer dans Ie laitier. De plus, la composition initiale du laitier a une influence sur la composition du vil métal. Avec les données expérimentales on peut estimer le rapport teneur-récupération des laitiers aux differentes compositions. Les comportements physique et chimique sont aussi abordés et on constate que l'usure du réfractaire aussi bien que la dissolution subséquente du réfractaire vers la matrice du laitier peuvent jouer un rôle significatif dans le mécanisme de retenu des métaux par les laitiers.     

Chlorination of a Scheelite-Wolframite Concentrate with Chlorine and Sulphur Dioxide

Abstract

The chlorination of a scheelite-wolframite concentrate with chlorine and sulphur dioxide was studied in order to determine the operative conditions that favor the tungsten extraction. Tests were made in a vertical reactor with a static bed and upward flow of reactive gases. Effects of the flow rates of chlorine and of sulphur dioxide, the reaction time and the reaction temperature on the tungsten extraction were analyzed. The evolution of the tungsten extraction determined in our tests was briefly explained from the volatile and non-volatile reaction products formed in each case. The main reaction products identified were WO₂Cl₂, FeCl₂, FeCl₃, CaSO₄ and CaCl₂. The mechanism and apparent activation energy of the reaction were analyzed from data obtained under non-isothermal conditions. The kinetic analysis shows that the presence of non-volatile reaction products affects the chlorination. Effects of the impurity reactivity, the ratio of tungsten-bearing minerals and the particle size of the concentrate on the chlorination were analyzed. Finally, the operative conditions that allowed a tungsten recovery near 90% were determined.

Résumé

On a étudié la chloration au chlore et au bioxyde de soufre d'un concentré de scheelite-wolframite, afin de déterminer les conditions d'opération qui favorisent l'extraction du tungstàne. On a exécuté des tests dans un réacteur vertical à lit statique, á l'ecoulement vers le haut des gaz réactifs. On a analysé l'effet, sur l'extraction du tungstène, des taux d'écoulement du chlore et du bioxyde de soufre, de la durée de réaction et de la température de réaction. On a expliqué brièvement l'évolution de l'extraction du tungstène, déterminée dans nos tests, à partir des produits de réaction volatiles et non volatiles formés dans chaque cas. Les principaux produits de' réaction identifies étaient le WO₂Cl₂, le FeCl₂, le FeCl₃, le CaSO₄ et le CaCl₂. On a analysé le mécanisme et l'énergie d'activation apparente de la réaction á partir de données obtenues so us conditions non isothermes. L'analyse cinétique montre que la préesence de produits de réaction non volatiles affecte la chloration. On a analysé les effets, sur la chloration, de la réactivité des impuretes, de la proportion des mineraux porteurs de tungstene et de la taille de particule du concentre. Finalement, on a déterminé les conditions d'opération qui permettent la récupération de pràs de 90% du tungstène.     

A Perspectival Review of Rail Behavior at the Facility for Accelerated Service Testing

Abstract

The rail metallurgy tests which have been undertaken at the Facility for Accelerated Service Testing are described. The best of the premium metallurgies has been found to wear approximately 3 to 4 times better than standard rail in the unlubricated regime. However, in the lubricated regime, the maximum improvement in wear rate achievable by the use of a premium rail has been found to be only about 50 %. A strong effect of equivalent carbon has been observed for standard and HiSi rail in the underlubricated regime. Reduced wear and metal flow has led to increased fatigue failure of rail. The failure rate of standard rail at FAST is consistent with failure behavior of standard rail elsewhere in U.S. Railroad service when allowances are made for difference in wheel load. The growth of a transverse crack in the head of a rail is shown to be consistent with predictions made from simple linear elastic fracture mechanics considerations where the flexural stresses are augmented by the curving action of the train and substantial axial residual tensile stresses are assumed to exist under the work hardened running surface region of the rail head.

Résumé

Les essais de métallurgie des rails entretenus au Laboratoire d'Essais de Service Accéléré (F.A.S.T.) sont décrits. On constate que les meilleurs aciers primium résistent á l'usure de 3 á 4 fois plus longtemps que les aciers standards, dans un régime non-lubrifié. Cependant, dans le cas d'un regime lubrifié, l'amelioration maximum pour l'utilization d'un rail d'acier primium ne dépasse guére 50 %. Un effet important d'équivalent en carbone a été constate pour le rails standards et de haute teneur in Si (“Hi Si”) dans le régime so us lubrifié. Une réduction en déformation plastique et en usure ont provoqué une augmentation du taux de rupture due à la fatigue. Le taux de rupture du rail standard au F.A.S.T. est corroboré par le comportement des rails standards dans les voies ferrees des E.U. en tenant compte des differences dans les charges des roues. La croissance d'une fissure transversale dans le champignon du rail est compatible avec les prédictions de la mécanique de fracture élastique simple dans le cas ou les efforts en flexion sont augmentes par l'action de direction du train et si l'on admet que des tractions axiales residuelles importantes existent sous la region écrouie de la bande de roulement du champignon du rail.     

Decarburization of iron-carbon alloys by argon-oxygen mixtures

Abstract

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

Résumé

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

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.