Current efficiency measurements laboratory aluminum cells II. Influence of alumina content

Abstract

The current efficiency (CE) in a laboratory aluminum electrolytic cell was determined by gas analysis as a function of the alumina content in the cryolite melt. Additions of CaF₂, AlF₃ and LiF all increased the CE, while NaCl had the opposite effect. The CE exhibited a distinct minimum in the range from 3 to 7 wt% Al₂O₃, depending on the composition of the melt.

Résumé

Le rendement du courant dans une cellule de laboratoire d'électrolyse de l'aluminium a été déterminé par l'analyse des gaz en fonction de la teneur en alumine du bain de cryolite. Des additions de CaF₂, Alf₃ et LiF augmentent Ie rendement alors que Ie NaCl a un effet contraire. Le rendement de courant passe par un minimum pour une teneur en Al₂O₃ variant de 3 à 7% selon la composition du bain.     

Rate of Transfer of Manganese Across Metal-Slag Interface and Interfacial Phenomena

Abstract

The rate of oxidation of manganese in liquid iron by oxidizing slag and rate of reduction of manganese oxide in liquid slag by liquid iron were measured at 1873 K. At the same time the liquid iron-slag interface was observed by an X-ray TV and the shape of iron drops was photographed on a film to determine the interfacial tension. From the results of the rate measurements it was found that the reaction proceeded rapidly over the initial period in the case of oxidation, but not in the case of reduction. The rate of reaction was analysed on the assumption that the reaction was controlled by simultaneous transport of manganese and oxygen. The change of interfacial tension during a run was small in spite of the transfer of surface active oxygen.

Résumé

Les vitesses d'oxydation et de réduction du manganèse ont été mesurées à l'interface métal-scorie d'un bain de fonte liquide à 1873 K. Simultanément, l'interface fonte-scorie a été observée à l'aide d'une caméra de télévision R-X et les goutelettes de fonte photographiées afin de déterminer la tension interfaciale. A partir des résultats des vitesse de réaction, il s'est avéré que la réaction s'effectue rapidement lors de la période initiale d'oxydation, mais non lors de la réduction. La vitesse de la réaction a été analysée en supposant qu'elle était contrôlée par le transport simultané du manganèse et de l'oxygène. Le changement de tension interfaciale lors d'un essai étai faible malgré le transfert d'oxygène actif en surface.     

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.     

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.     

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

Abstract

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

Résumé

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

Localisation De L'ecoulement Plastique En Traction Dans Un Materiau Insensible a La Vitesse De Deformation

Abstract

The evolution of plastic flow is calculated along a tensile specimen containing an initial geometric or metallurgical defect. The computation is performed for the limiting case in which the material obeys a rate insensitive equation of plastic flow. In this approach, the specimen is considered as a set of N + 1 slices,and it is shown by means of a simple graphical method, that the localization of plastic flow, i.e. the necking process, begins at first slowly and then proceeds much more rapidly. The application of the Considere criterion to determine the onset of rapid flow localization is shown to lead to inaccurate results if the average strain is measured rather than the local strain in the weakest part of the defect.

Résumé

On étudie, au cours d'un essai de traction, l'évolution de la déformation plastique le long d'une éprouvette contenant initialement un défaut géométrique ou métallurgique. Le calcul est présenté dans le cas limite d'un matériau obéissant à une loi de comportement plastique insensible à la vitesse de déformation. En considérant l'éprouvette comme constituée de N + 1 tranches et en utilisant une méthode de résolution graphique, on montre de maniere simple que la localisation de l'ecoulement plastique dans la zone du défaut (développement de la striction) se produit d'abord lentement, puis d'une maniére beau coup plus rapide. On montre que l'application du critére de Considére pour la détermination du début de la localisation rapide de l'écoulement plastique n'est pas rigoureuse si la déformation de l'éprouvette est mesurée en moyenne selon la méthode usuelle.     

Copper cementation on nickel discs

Abstract

The cementation of copper on various types of nickel discs has been studied in dilute cupric sulphate solutions. Activation of the cathode nickel discs with Te⁺⁴ was necessary to achieve reproducible rates, whereas satisfactory results were obtained with mint nickel discs using only a chemical polishing treatment Attempts to cement copper on discs of nickel-copper alloys were unsuccessful.

The cementation process on pure nickel takes place by two different rate-controlling mechanisms. At low temperatures the process is probably controlled by a surface reaction, whereas at higher temperatures the process is probably controlled by diffusion through surface layers. When the acidify of the solution is increased, the cementation rate increases. The rate decreases with increasing thickness of the cemented deposit.

Résumé

Le dépôt de cuivre sur divers types de disques de nickel a été étudié en solution diluée de sulfate cuivrique. Afin d'obtenir des taux reproductibles il a été nécessaire d'activer les disques de nickel cathodique avec du Te⁺⁴ alors que pour du nickel à monnaie des résultats satisfaisants étaient atteints apnès un polissage chimique. Les essais de dépôt de cuivre sur des alliages de nickel-cuivre se sont avénés infructueux.

Le processus du dépot sur du nickel pur se fait par deux mécanismes différents. A basses températures le processus est probablement contrôlé par une réaction de surface tandis qu'a plus haute température il serait contrôle par diffusion au travers de la surface. Quand l'acidité de la solution est augmentée, le taux de dépôt augmente également. Ce taux diminue au fur et à mesure que l'épaisseur du dépôt augmente.     

Electrochemical reactions of pyrite in acid perchlorate solutions

Abstract

Pyrite has been subjected to electrochemical measurements in 1M HClO₄ to determine anodic and cathodic electrode reactions. Under anodic conditions only ferric and sulphate ions are formed, while under cathodic conditions ferrous ions and H2S are discharged, with hydrogen. If oxygen is present, its reduction will cause an additional increment of cathodic current.

Ordinary pyrite, exposed to air, exhibits a rest potential of about +0.62 volt (vs. SHE) which is more noble than for any other sulphide mineral. Cathodic excursions that generate H₂S and leave a clean pyrite surface when the soIi[~on is bub bled with helium lead to rest potentials of between 0.2 and 0.3 volt, much more consistent with the thermodynamically estimated reversible potential of pyrite. The 0.62-volt value is therefore regarded as evidence of a ‘passive’ condition. Thus, between 0.3 and 0.6 volt, passive pyrite is cathodic, while ‘active’ pyrite is anodic

Résumé

On a fait des mesures électrochimiques sur la pyrite dans HClO₄ 1M afin de determiner les réactions d'électrodes anodiques et cathodiques. A l'anode on ne forme que des ions ferriques et des ions sulfate alors qu'à la cathode des ions ferreux et H₂S sont déchargés en mê;me temps que de l'hydrogéne. S'il y a de l'oxygène il y a augmentation du courant cathodique provenant de sa réduction.

La pyrite ordinaire ayant été exposée a l'air présente une tension de coupure d'environ '0.62 volt (par rapport à ESH) ce qui est plus élevé que pour tout autre sulfure minéral. Quand il y a un barbotage d'helium dans la solution les réactions cathodiques qui liberent H₂S et laissent une surface de pyrite propre conduisent à des potentials de coupure compris entre 0.2 et 0.3 volt. Cette mesure est plus en accord avec la valeur estimée du potentiel réversible de la pyrite. La valeur 0.62 volt met done en évidence un état ‘passif’. Done entre 0.3 et 0.6 volt, la pyrite passive est cathodique alors que la pyrite ‘active’ est anodique.     

Nugget formation and growth during resistance spot welding of aluminium alloy 5182

Abstract

Surface interaction at the worksheet/worksheet interface during resistance spot welding of aluminium alloy 5182 with spherical tip electrodes was investigated. Oxide layer cracking and nugget formation were focused. Both experimental work and finite element analysis were employed to explain the contact behaviour at this interface. It was found that sheet separation and thus bending occurred during the squeezing phase of the resistance spot welding process and suggested a profound influence on nugget formation. The sheet separation caused enlarged and aligned cracks in the surface oxide layers which led to a good metal‐to‐metal contact near the periphery of the faying surface. High current densities which occurred at the beginning of the current phase caused significant heat generation in this zone. Consequently, the melting at the faying surface started near the periphery and moved in towards the central zone of the contact region to produce a ‘doughnut shaped’ nugget with a filled‐in but thin central region.

On a étudié l'interaction de la surface à l'interface feuille de travail‐feuille de travail lors du soudage par points par résistance de l'alliage d'aluminium 5182 avec des électrodes à bout sphérique. On s'est concentré sur la fracture de la couche d'oxyde et sur la formation du noyau. On a utilisé tant le travail expérimental que l'analyse par éléments finis pour expliquer le comportement de contact à cette interface. On a trouvé que la séparation de la feuille, et donc le pliage, se produisait lors de la phase de compression du procédé de soudage par points par résistance, suggérant une influence profonde sur la formation du noyau. La séparation de la feuille résultait en fissures agrandies et alignées dans les couches d'oxyde de la surface, ce qui amenait un bon contact de métal à métal près de la périphérie de l'aire de contact. Des densités élevées de courant, qui se produisaient au début de la phase de courant, résultaient en un dégagement important de chaleur dans cette zone. Conséquemment, la fonte de l'aire de contact commençait près de la périphérie et se déplaçait vers la zone centrale de la région de contact, produisant un noyau en forme d'anneau avec une région centrale remplie, mais mince.     

Mise en évidence par émission ionique secondaire du rôle de l'oxygène dans quelques mécanismes intergranulaires

Abstract

With the ionic microanalyser it is possible to obtain, with a resolution better than a micron, an image of the distribution of elements present in a metallic matrix.

The contrast on the image results primarily from the local difference in concentration; however, other effects related to the variation in the efficiency of the pulverisation with orientation as well as to the modification of the electronic environment can be observed. Local variations in contrast related to the nature of the chemical bonds can also be observed. In this latter case, oxygen plays an important role, so that an element in a homogeneous solid solution, even in slight concentrations, can appear reinforced at the sites at which it is bond with oxygen.

The study of the contrast obtained provided new experimental data on the mechanisms of the grain boundary diffusion of oxygen during the low temperature oxidation of zironium and during the internal oxidation of Cu-Be.

Résumé

A l'aide du microanalyseur ionique il est possible d'obtenir - avec une résolution meilleure que le micron - une image de la répartition des éléments présents dans une matrice métallique.

Le contraste observé sur l'image provient en premier lieu de la différence locale de concentration, toutefois d'autres effets liés à la variation du rendement de pulvérisation avec l'orientation ainsi qu'à la modification de l'environnement électronique peuvent être observés. De plus, on peut remarquer localement des variations de contraste induites par la nature des liaisons chimiques. Dans ce cas précis, l'oxygènejoue un rôle fondamental: Ainsi un élément en solution solide homogène - même en faible quantité - peut paraître renforcé aux endroits où il se trouve lié à l'oxygène.

L'étude par densitométrie des images obtenues nous a pennis d'apporter des données expérimentales nouvelles sur les mécanismes de diffusion intergranulaire de l'oxygène, soit lors de l'oxydation à basse température du zirconium, ou lors de l'oxydation interne du Cu-Be.     

Some Aspects of Thermal Analysis and Technology Upgrading in Steel Continuous Casting

Abstract

This paper is focused on several aspects of steel continuous casting, pursuing an aim to develop a general approach to technology optimization for securing internal quality of cast steel in small-section strand casting. The study was based on a computer simulation of steel solidification in a caster, utilizing experiment-based verification of computer modeling. Problems discussed include the computation of the shrinkagejcontraction of steel, and the development of optimized operation for the final electromagnetic stirring of melt, as well as the soft reduction of cast strand at the final stage of solidification. Development of optimal operational patterns for bloom casting of high-C steel at the China Steel Corporation exemplifies the approach discussed. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Ce document touche plusieurs aspects de 1a coulée continue de l'acier, avec pour but de déve1opper une approche générale d'optimisation de la technologie. On veut ainsi s'assurer de la qualité interne de l'acier coulé par un appareil à ligne de petite section. L'étude etait basee sur la simulation par ordinateur de 1a solidification de l'acier d'un appareil de coulée, avec véreification, basée sur les expériences, de la modélisation par ordinateur. Les problèmes discutés incluent le calcul du rétrécissement/contraction de l'acier anisi que le développment de l'operation optimisée d'agitation électromagnétique finale du bain fondu et de réduction dounce da la ligne de coulée it l'étape finale de solidification. Le developpement de patrons operationnels optimaux du coulage de lingot d'acier à C élevé à la “China Steel Corporation”, fournit un exemple de l'approche discutée. © 2000 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.     

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.     

Heat Transfer Modelling of the Melting of Solid Particles in an Agitated Molten Metal Bath

Abstract

The melting of solid particles in stagnant melt such as the melting of iron pellets in an electric arc-furnace has been the subject of many investigations. However, little work can be found in the literature about the modelling of heat transfer during the melting of solid particles in an agitated molten metal bath. The present work deals with the development of a heat transfer model for the melting of the solid pellets in a stirred melt, as melting in induction furnaces or gas-stirred vessels. First, the flow pattern in the liquid bath was obtained using a two-equation k–ε turbulent flow model which was further employed to obtain the particle's trajectory and its slip velocity. The heat transfer coefficient between the melt and particle was then calculated and used in the model to identify the rate of heat transfer to the particle. Parametric studies were carried out to evaluate the effects of such parameters as physical properties of particle and those of the melt on the melting rate of particle. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La fonte de particules solides dans un liquide stagnant, telle que la fonte de boulettes de fer dans un four à arc électrique, a été le sujet de plusieurs investigations. Cependant, on trouve peu d'information dans la litterature sur la modélisation du transfert de chaleur lars de la fonte de particules solides dans un bain agite de métal fondu. Le present travail a pour objet le développement d'un modèle de transfert de chaleur de la fonte de boulettes solides dans un liquide agité, telle que la fonte dans les fours a induction ou les réacteurs à agitation gazeuse. Premièrement, on a obtenu le patron d'écoulement dans le bain liquide en utilisant un modèle d'écoulement turbulent à deux equations, k–ε, également utilisé pour obtenir la trajectoire de la particule et sa vélocité de glissement. On a ensuite calculé le coefficient de transfert de chaleur entre le liquide et la particule et on l'a utilisé dans le modéle pour identifier le taux de transfert de chaleur vers la particule. On a mene des etudes paramétriques afin d'evaluer l'effet de parametres tels que les proprietes physiques de la particule et celles du liquide sur le taux de fonte de la particule. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Recent Developments in the Environment Process

Abstract

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

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

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

Résumé

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

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

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

Chlorination of zircon sand

Abstract

The reaction between zircon sand and chlorine in the presence of calcined petroleum coke was studied in a static boat reactor and in an electrothermal fluid bed reactor. In the static chlorination studies, the individual effects, of temperature carbon/zircon ratio and per cent-chlorine in the chlorinating gas were evaluated. In the fluid bed chlorination studies chlorine utilization was evaluated as a function of temperature, gas velocity and bed depth. The electrothermal fluid bed was found to be ideally suited for this particular chlorination reaction.

Résumé

La réaction du chlore sur du sable de zircone, en présence de coke calciné de pétrole, a été etudiee dans une nacelle et dans un lit fluidise electrothermique. Les etudes de chloruration en lit statique (Le. La nacelle) ont permis d'evaluer séparément les effets de la température, du rapport carbone/zircone et du pourcentage de chlore dans le gaz chlorurant. Les études de chloruration en lit fluidisé ont permis d' évaluer le degré d'utilisation du chlore en fonction de la température, du débit de gaz et de la profondeur du bain. Le bain fluidisé électrothermiquement s'est avéré être idéal pour cette réaction de chloruration particulière.     

Thermal reduction of olivine by calcium carbide and by silicon in the presence of calcium oxide

Abstract

The vapour pressures over the reactants olivine - calcium-carbide and olivine - silicon - calcium oxide have been measured over the temperature ranges 1115 to 1190°C and 1045 to 1165°C, respectively. The equilibrium reactions do not involve olivine since this material readily decomposes in the presence of CaC₂ or CaO. In the calcium carbide reduction, the reaction mechanism depends on the ratio of olivine to calcium carbide in the charge. In the silicon reduction, the equilibrium-pressures are essentially the same as those for the corresponding reduction of dolomite. The possible role of an intermediate calcium-silicon alloy in the latter case is discussed.

Résumé

Les auteurs ont mesuré les tensions de vapeur au-dessus des réactifs olivine - carbure de calcium et olivine - silicium - oxyde de calcium à des intervalles de température de 1115 à 1190°C et de 1045 a 1165°C respectivement. Les réactions de'équilibre n'impliquent pas l'olivine car ce composé se décompose en présence du CaC₂ ou du CaO. Dans le cas de la réduction du carbure de calcium, les mécanismes de réaction dépendent de la proportion d'olivine et du carbure de calcium dans la charge. Pour la réduction du silicium, les pressions à l'equilibre sont essentiellement les mêmes que celles pour la réaction équivalente avec la dolomite. Le rôle possible d'un composé intermédiaire calcium - silicium dans le dernier cas est discuté.     

Titanium deoxidation reactions in liquid iron

Abstract

An experimental study has been made of the equilibrium between titanium and oxygen in liquid iron at 1625° and 1700°C. Equilibrium was established between liquid Fe-Ti-O alloys held in Ti₃O₅ or Al₂O₃ crucibles and water vapor-hydrogen gas mixtures which were used to control the oxygen potential of the melt. The gas mixture was bubbled through the melt to give good gas-metal contact and to avoid thermal diffusion effects. In the reaction

Ti₃O₅(s) + 5H₂(g) ? 3 Ti + 5H₂O(g)

equilibrium was attained both by reduction of the solid oxide crucible and by oxidation of titanium in the alloy. Quenched samples obtained by suction into SiO₂ tubes were analyzed chemically for titanium and by vacuum fusion for oxygen. X-ray diffraction techniques were used to identify the products of deoxidation. Thermodynamic data for Fe-Ti-O alloys are presented and the use of SiO₂ sampling tubes at low oxygen potentials is discussed. Results are compared with published data and it is suggested that titanium decreases appreciably the activity coefficient of oxygen in liquid iron and that the deoxidizing power of titanium is closer to that of aluminum than that of silicon or vanadium.

Résumé

Les auteurs ont étudié l'équilibre entre le tatane et l'oxygène dans le fer liquide à 1625 et 1700°C. Des mélanges vaporeux d'eau-hydrogène ont servi à contrô1er le potentiel d'oxygène dans les alliages liquides Fe-Ti-O dans des creusets de Ti₃O₅ ou de Al₂O₃. Le mélange gazeux circulait à travers le bain liquide pour favoriser les échanges gaz-métal et éviter des effets de diffusion thermique.

Le point d'équilibre de la réaction:

Ti₃O₅(s) + 5H₂(g) ? 3 Ti + 5H₂O(g)

a été atteint par réduction du creuset d'oxyde solide et par oxydation du titane de l'alliage. Le titane a été dosé par voie chimique et l'oxygéne par fusion sous vide. Les échantillons pour le dosage ont été prélevés par aspiration de l'alliage dans des tubes de silice. Les produits de désoxydation ont été identifiés par diffraction des rayons-X. Les auteurs présentent des données thermodynamiques et discutent de l'utilisation des tubes de silice pour l'echantillonnage.

Ils comparent leurs résultats aux données de la littérature: ils rapportent que le titane abaisse le coefficient d'activité de l'oxygéne dans le fer liquide et que le pouvoir désoxydant du titane se rapproche plus de celui de l'aluminiumque de celui du silicium ou du vanadium.     

Kinetic investigations of two processes for zinc recovery from zinc plant residue

Abstract

This paper presents a kinetic study of hydrometallurgical and pyrometallurgical processes employed for the recovery of zinc from a zinc plant residue (ZPR). The hydrometallurgical process investigated involved zinc leaching from the ZPR with sulphuric acid solution, while the pyrometallurgical process was based on zinc oxide reduction from the ZPR using activated carbon as the reducting agent. At the optimum leaching conditions, the zinc recovery was 89·5% at 95°C after 60?min. The data obtained for the leaching kinetics indicated that the dissolution of ZPR is a diffusion controlled process and the activation energy is equal to 21±2?kJ?mol^?1. The maximum zinc recovery, obtained during pyrometallurgical treatment was 72% at 1300°C after 60?min. Kinetic investigations revealed that the zinc oxide reduction is carried out in the transient kinetic area, where both diffusion and the chemical reaction control the overall process rate, with an activation energy of 38±5?kJ?mol^?1.

Cet article présente une étude cinétique d'un procédé hydrométallurgique et d'un procédé pyrométallurgique utilisés pour la récupération du zinc du résidu d'une usine de zinc (ZPR). Le procédé hydrométallurgique investigué impliquait la lixiviation du zinc du résidu de l'usine de zinc avec une solution d'acide sulfurique, alors que le procédé pyrométallurgique était basé sur la réduction de l'oxyde de zinc du résidu de l'usine de zinc en utilisant du charbon activé comme agent de réduction. Aux conditions optimales de lixiviation, la récupération du zinc était de 89·5% à 95°C après 60?min. Les données obtenues pour la cinétique de lixiviation ont indiqué que la dissolution du résidu de l'usine de zinc était un procédé contrôlé par la diffusion et l'énergie d'activation est égale à 21±2?kJ?mol^?1. La récupération maximale de zinc, obtenue lors du traitement pyrométallurgique, était de 72% à 1300°C après 60?min. Les investigations de la cinétique ont révélé que la réduction de l'oxyde de zinc était effectuée dans la zone de cinétique transitoire, où tant la diffusion que la réaction chimique contrôlent la vitesse globale du procédé, avec une activation d'énergie de 38±5?kJ?mol^?1.     

Evaluating the Dynamic Toughness Properties of Pipeline Steels

Abstract

The dynamic toughness properties of three plates of the same grade of a high strength low alloy pipeline steel were evaluated by impact testing DWTT and CVN specimens sampled from the plates at 45° to the rolling direction. Impact testing was performed on either a conventional pendulum-type Charpy test machine or a Dynatup 8000 instrumented Drop- Weight Test Machine, at temperatures down to - 80°C. The shear fracture mode was found to be dependent on the type of specimen tested, and the ratio of crack initiation energy to the crack propagation energy expended in breaking a standard DWTT specimen appeared to provide a more definite indication of the onset of brittle fracture than either the shear area or total energy by itself.

Résumé

Les propriétés de ténacité dynamique de trois plaques du même type d'acier microallié ont été examinées d'aprés l'essai par choc d'échantillons DWTT et CVN prélevés it 45° de la direction du laminage. Les essais ont été réalisés soit sur une machine Charpy conventionnelle soit sur un mouton vertical instrumenté par le système Dynatup 8000, ceci à des températures atteignant – 80°C. Le mode de rupture par cisaillement dépend du type d'échantillons, et le rapport de l'énergie d'initiation des fissures et de l'énergie de propagation dépensées pour briser un échantillon standard DWTT semble donner un meilleur indice de l'apparition de la rupture fragile que l'aire cisaillée ou l'energie totale.