Estimating terminal phase equilibria in ternary systems

Abstract

An analytical method for the estimation of terminal two-phase equilibria in ternary systems is presented. The method utilizes thermodynamic solution parameters, free energies of transformation of pure components and phase equilibria of the relevant binary systems.

At low solute concentrations or at higher concentrations in systems where solute interactions are weak, it is shown that ternary isotherms are characterized by approximately linear phase boundaries and constant solute partition coefficients.

The method has been employed to calculate several tie-lines of the 1510°C isotherm in the iron-rich comer of the Fe-Mn-S diagram. In this moderately rich solution system typifying fairly strong solute interaction, the curvature of the phase boundaries and variation of the partition coefficients throughout the two-phase region are found to be minimal (for the parameters used in the calculations).

Résumé

Cette communication fait part d'une méthode de calcul des lignes de conjugaison dans les régions terminales d'un diagramme de phases ternaire. La méthode utilise les paramètres thermodynamiques de solution, les énergies libres de transformation des composants, et les diagrammes de phases binaires qui limitent le diagramme ternaire.

On démontre que les isothermes sont linéaires et les coefficients de partage invariables lorsque les interactions entre solutés sont faibles.

La méthode a servi au calcul des lignes de conjugaison de la région fer δ + liquide du système Fe-Mn-S à 1510°C. On constate que la courbure des isothermes et la variation des coefficients de partage d'un bout à l'autre de la région bi-phasée sont minimes.     

Micrbband Formation in Cyclic Extrusion Compression of Aluminum

Abstract

The influence of very large deformations on the properties and microstructures of A199.95 and A199.992 is investigated. The very large deformations are imposed by the cyclic extrusion-compression (CEC) method, which combines extrusion and compression processes. It is found that above true strains of 4 and 8 respectively, the compression proof stresses of A199.992 and A199.95 stabilize. The property stabilization appears to result from the increasing incidence of micro bands which leads to the final constancy of the microstructure parameters. The homogeneous chess-board like microstructure forms during the deformation by the CEC method, as the result of rearrangement of microstructure by the mutually crossing microbands leading to the final dominance of persistent macro shear bands.

Résumé

On a étudié l'influence de très grandes déformations sur les propriétés et la microstructure de l'Al 99.95 et de l'Al 99.992. De très grandes déformations sont imposées par la méthode d'extrusioncompression cyclique (CEC), qui combine des processus d'extrusion et de compression. Au-delà de déformations réelles de 4 et 8 respectivement, les limites apparentes d'élasticité sous compression de l'AI 99.992 et de l'Al 99.95 se stabilisent. Cette stabilisation de la propriété a l'air de résulter de l'augmentation de l'occurrence de micro-bandes, ce qui méne à la constance finale des paramètres de microstructure. La microstructure homogène à apparence d'échiquier se forme lors de la déformation par la méthode CEC, comme résultat du réarrangement de la microstructure par les micro-bandes qui s'entrecroisent mutuellement, menant à la domination finale de bandes persistantes de macro-cisaillement.     

Experimental problems in measuring the thermal conductivity of liquid oxide

Abstract

Conventional methods for measuring thermal conductivity are not applicable for liquid oxides containing high concentrations of iron in the range of 1200 to 1600°C. The principal problem is attack of container materials, measuring probes, etc. by the liquid. To avoid this problem, an experimental method was sought which permitted measurements for short times on very small specimens. In the method chosen, the temperature of one side of the specimen is made to oscillate at a selected frequency and amplitude. The oscillation passes through the specimen with decreasing amplitude and a phase shift, the phase shift being dependent on the frequency of oscillation, thickness, and thermal diffusivity of the specimen. With appropriate conditions for the experiment, the phase shift is simple to measure and record.

The experimental method and apparatus are discussed. Difficulties with the choice of materials and details of the experimental design are outlined. Complications arising from radiative transport and the limitations placed on the apparatus to avoid interference from the effect are described. Some results of the measurement are discussed briefly.

Résumé

Les méthodes conventionnelles de mesure de la conductibilité thermique ne sont pas applicables aux oxides liquids contenant une forte concentration de fer, entre 1200 et 1600°C. Le principal problème est une attaque par le liquide du contenant, dessondes, etc. Pour pallier cette difficulté, nous avons développé une methode permettant d'effectuer des measures pendant des tempstrés courts et sur de tout petits échantillons. Pour la méthode utilisée, la température de l'une des faces de l'échantillon oscille à une fréquence et une amplitude choisies; cette oscillation traverse l'échantillon ce qui entraïne une diminution de l'amplitude et un décalage de phase, décalage fonction de la fréquence utilisée, de l'épaisseur de l' échantillon et de son coefficient de diffusion thermique. Le décalage de phase se mesure facilement et est enregistré dans des conditions expérimentales correctes.

Dans cet article nous décrivons la méthode expérimentale et l'appareillage utilisés, ainsi que les difficultés rencontrées pour le choix des matéiaux et la mise au point du montage. Il est fait part en outre des complications survenues à cause du transfert par radiation et des limites imposées au montage pour les éviter. Brièvement, nous discutons de quelques résultats obtenus.     

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.     

Surface energies of solid metals

Abstract

Measurements of surface energies of solid metals reported in the literature are collected and compared, and best values are suggested. A brief review is presented of theories of surface free energy γ and surface entropy S, and it is proposed that S ～ 1.0 R per mole of surface atoms is a reasonable estimate. Using this value of S, surface energies γ_o at 0°K are deduced by extrapolation of experimental data from higher temperatures and correlated with cohesive energies H(O) at 0°K. On the basis of this correlation, it is suggested that reasonable estimates of surface energy reliable to ～ 10 per cent may be obtained from

γA=γ_oA?TS

where A = molar surface area, γ_oA = 0.25 H(O), and S ;amp;#x003D; 1.0 R.

Résumé.

On a rassemblé dans la littérature les mesures d'énergie superficielle de métaux solides. De leur comparaison l'auteur suggère les meilleures valeurs disponibles. On présente aussi une brève revue des théories concernant l' énergie libre de surface Set l'entropie superficielle γ. La valeur de 1.0 R par mole d'atome superficiel est proposée pour S comme une estimation raisonnable. On utilise cette valeur de S pour en déduire l' énergie superficielle γ _Q à 0^°K par extrapolation des résultants expérimen taux obtenus à temperatures plus élevées. Sur la base d'une corrélation entre les résultats et les énergies de cohésion H(O) à 0°K, on suggére que des estimations des énergies superficielles peuvent être obtenues à ±10% en utilisant la relation

γA = γ_oA?TS

Où A = surface molaire, γ_oA = 0.25 H(O), et S = 1.0 R.     

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.     

A Review of the Mechanisms of Fatigue

Abstract

Relationships between structure and fatigue properties are briefly reviewed for metals and alloys of the facecentred cubic structure. The effects are considered of stressor strain amplitude, temperature, stacking fault energy, strain ageing, degree of order, precipitation and dispersion hardening, and fibre strengthening, upon crack initiation and propagation.

Résumé

L'auteur traite brièvement des rapports entre la structure et la résistance à la fatigue des métaux et alliages cubiques à faces centrées. II passe en revue L'influence de l'intensité de la contrainte, de l'amplitude de la ,déformation, de la temperature, de l' énergie de faute d'empilement, du vieillissement après déformation, de la nature de l'ordre, du durcissement par précipitation et dispersion, et du renforcement à l'aide de fibres, sur la formation et.la propagation des fissures.     

High Temperature Gaseous Equilibria—Computation and Graphical Representation

Abstract

A new technique—the constrained chemical potentials method—is presented for calculating high temperature gaseous equilibria and isillustrated on the calculation of the Gibbs triangle composition diagrams of the H-S-O and H-O-C systems taking into account the formation of all possible gaseous species. The influence of composition, temperature and total pressure on these systems is analysed. As well as showing the influence of the common thermodynamic variables upon the equilibrium, the coupling of this technique with the Gibbs triangle composition diagram is useful in resolving practical problems of pyrometallurgical importance such as: which mixture(s) of the common gases prepared at room temperature will produce a required gaseous equilibrium; which gases tend to be good or poor chemical buffers during an experiment; and which gases may pose kinetic problems in attaining equilibrium. The basic algorithm for a three or four component system can be stored in a small desk calculator since the method is dependent on the number of components and independent of the total number of species in the gas phase. The constrained chemical potentials method is general and the algorithm for calculating multicomponent equilibria is also presented.

Résumé

Une nouvelle technique—la méthode des potentiels chimiques imposés—est proposée pour le calcul des équilibres gazeux complexes à hautes températures. La méthode est appliquée au calcul de l'équilibre pour les systémes H-S-O et H-O-C en tenant compte de la formation de tous les composés gazeux. Les résultats sont présentés sous forme d'isobares inscrits dans le triangle de composition de Gibbs. L'examen d'un diagramme permet de voir: l'influence de la composition ou d'un changement de composition sur les pressions partielles (ou activites) de certains composés de la phase gazeuse; quels mélanges gazeux préparés à l'ambiante permettront d'obtenir les conditions à l'équilibre recherchées; quels types de mélanges gazeux possèdent de bonnes ou de mauvaises qualités de tamponnage chimique. Le calcul de tels diagrammes à des températures et des pressions totales différentes montre l'influence de ces variables thermodynamiques sur l'équilibre du système considéré. Un algorithme de la méthode des potentiels chimiques imposés, applicable à un système à plusieurs composants est aussi présenté.     

Reconciliation of Mass and Energy Data Measurements: Application to a Rotary Dryer

Abstract

Data collected during the normal operation of a zinc concentrate rotary dryer is used to illustrate the problems associated with the calculation of unmeasured variables in the presence of measurement errors. The paper analyzes the propagation of random errors through mass and energy balance calculations and discusses the presence of systematic errors in measurements obtained during the operation of the dryer. The inaccuracy of temperature measurements in the presence of radiation is discussed, as well as the effect of air infiltration inside the dryer. The application of a reconciliation algorithm to the measured data slightly improves the quality of the estimation. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Les données recueillies durant l'opération d'un four rotatif de séchage de concentré de zinc sont utilisées pour illustrer les problèmes associés au calcul de variables non-mesurées en présence de'erreur de mesure. L'article analyse la propagation des erreurs de mesure à travers les calculs de bilan de masse et d'energie pour montrer l'imprécision de variables calculées comme les débits de gaz. L'influence d'erreurs systématiques de mesure de température par un thermocouple en présence de radiations est discutée et des résultats pratiques sont prsentés pour montrer la contribution des radiations émises par un mur de réfractaires ou par une flamme de combustion. On discute aussi de la précision de la mesure d'un débit d'air d'infiltration à l'interieur du four rotatif. Finalement les données sont utilisées pour evaluer lepotentiel d'un algorithme permettant de reconcilier des mesures de température, de débits d'air, de gaz et de carburant avec un modèle de conservation de l'énergie et de la matiére. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

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.     

Heat flow in blast furnace hearths

Abstract

Heat flow and temperature distribution in iron blast furnace hearths has been investigated using a digital computer implemented simulation. Furnace hearths, with and without underhearth cooling, have been simulated to provide dynamic thermal response characteristics and to explore refractory material requirements for improved hearth design.

A digital computer program utilizing numerical approximations to the heat flow equations in three dimensions (two dimensions with radial symmetry in the third) was used to calculate unsteady state heat transfer characteristics. Stave cooling, carbon and ceramic refractories, refractory thermal property variations, salamander formation, underhearth cooling systems, and other design and operating parameters were considered in evaluating the steady and unsteady state temperature distributions in blast furnace hearths.

Résumé

On fait l' étude du flux de chaleur et de la distribution de température dans le creuset d'un haut fourneau par une simulation à l'aide d'un ordinateur. Nous considérons le creuset sans ou avec refroidissemen t afin d'obtenir l' évolution des proprietes thermiques et de sonder les besoins en matériaux réfractaire pour ameliorer le design du creuset.

Un programme d'ordinateur basé sur la méthode d'approximations numeriques aux équations tridimentionnelles de transfert de chaleur (deux dimensions rectilignes avec symétrie radiale dans la troisième direction) a été employé dans le calcul du comportement de transfert de chaleur en régime transitoire. Nous avons considéré le refroidissement des douves, l'u tilisation des réfractaires à carbone et à ceramique, la variation des propriétés thermiques des réfractaires, la formation d'un loup ferreux, d'autres designs et les paramètres d' opération dans cette évaluation des distributions des températures en régime transitoire et en régime permanent des creusets des hauts-fourneaux.     

Anisotropy of interfacial free energy in solid-fluid and solid-solid systems

Abstract

A selective discussion is presented of experimental and theoretical wolk on the dependence of interfacial free energy on crystallographic orientation in both solid-fluid and solid-solid systems. Anisotropy of interfacial energy is interpreted in terms of both equilibrium shape and dihedral angle measurements at interfacial junctions.

Résumé

Les auteurs présentent une discussion critique de travaux expérimentaux et théoriques sur l'influence qu'a l'orientation cristal1ine sur l'énergie libre d'interface, dans les systèmes solidefluide et solide-solide. L'anisotropie de l'énergie d'interface s'expliquerait en termes de la morphologie et des angles dièdres des interfaces.     

Fundamental studies related to the development of the smelting reduction of iron oxide and carbon-constant volume studies

Abstract

Today, most of the iron-making capacity of the world is still dependent upon the blast furnace process, although the production of sponge iron by direct reduction processes is gaining acceptance in many areas. Another method of making iron, known as smelting reduction, is receiving attention, and pilot-plant scale operations are being developed in Europe and possibly elsewhere. In this method, iron oxide is reduced with carbon (coal) by a fast reaction such that liquid iron is the product, heat being provided to the reaction by the exothermic oxidation of carbon monoxide by oxygen within the reaction vessel.

In the present investigation, an attempt has been made to study the behaviour of composite pellets of wüstite and carbon in the region of 1500°C in various gas atmospheres at constant volume. Reaction rates were followed within the constant-volume system by measuring the increase in pressure with time using a pressure transducer. Composite pellets containing slightly more than the stoichiometrically required amount of carbon were reacted to form liquid iron in an argon atmosphere; to achieve melting, good mixing of the pellets was a critical requirement. Melting conditions were also obtained in carbon monoxide-carbon dioxide mixtures between 100 per cent CO and 100 per cent CO₂ When composite pellets, surrounded by a protective layer of carbon, were introduced into an atmosphere containing free oxygen, it was again possible to obtain melting and reduction to liquid iron. The activation energy for the reaction was approximately 15 kcal/mole. Possible reaction mechanisms are discussed.

Résumé

De nos jours, la réduction des oxydes de fer s'accomplit en grande partie au haut foumeau. On note toutefois une implantation graduelle des procédés de réduction directe des oxydes en fer éponge. Une autre méthode de production du fer, connue sous Ie nom de smeltage réducteur, est actuellement à l'étude. Des essais à l'échelle de l'usine pilote se font actuellement en Europe et possiblement ailleurs. La méthode consiste à produire du fer liquide en réduisant rapidement l'oxyde de fer par du carbone. L'énergie requise pour la réaction vient de l'oxydation exothermique du monoxyde de carbone par l'oxygène présént dans l'enceinte réactionnelle.

Les auteurs ont étudié le comportement de boulet1es composées de wüstite et de carbone en présence de diverses atmosphères gazeuses dans une enceinte fermée à 1,500°C. Les vitesses de réaction ont été détérminées en mesurant l'augmentation de la pression dans l'enceinte au moyen d'un transducteur de pression. Des boule1tes composées comportant un peu plus que la quantité stoechiométrique de carbone ont été réduites en fer liquide dans une atmosphère d'argon. La fusion n'avait lieu que si les constituants des boulet1es étaient intimement mélangés. La fusion de boulet1es a été réalisée dans des atmosphères constituées de melanges CO-CO₂, les proportions variant entre 100% CO et 100% CO₂. Le fer liquide a aussi été obtenu en faisant réagir des boulettes d'oxyde et de carbone entourées d'une couche protectrice de carbone, dans une atmosphère contenant de l'oxygène libre. L' énergie d'activation de la réaction était d'environ 15 kcal/mole. En fin, les auteurs discutent des mécanismes de la réaction.     

Molybdenum steels for pipelines

Abstract

Stringent property requirements are specified for steels to be used for oil and gas pipelines, especially for application in extremely cold climates. The effect of controlled plate mill processing (including water spray cooling between hot rolling passes), and of simulated strip mill processing on the mechanical properties and microstructure of pipe skelp of varying thickness has been studied in a family of Mn-Mo-Cb steels developed to meet these specifications. By virtue of chemistry and process control, desired minimum levels of yield strength in the range of 60 to 90 ksi (415 to 620 N/mm²) have been achieved, with excellent corresponding toughness values, in strip and plate gauges up to 0.75 in (19 mm). The microstructure of these steels varies, according to chemistry, from ferrite plus pearlite to acicular ferrite.

Résumé

Des propriétés mécaniques particulièrement strictes son t exigées des aciers pour pipe-lines (gaz ou pétrole) situés spécialement dans des régions très froides. Pour une série d'aciers au Mn-Mo-Cb développés pour de telles applications, les auteurs ont étudié la variation des propriétés mécaniques et de la microstructure de tôles a tube d' épaisseur variable en fonction de la procédure de laminage contrôlé des tôles fortes (incluant un refroidissement par aspersion d'eau entre les passes) ou d'une procédure simulée de laminage des feuillards. Du fait de la composition chimique et du contrôlé du laminage, des limites d' élasticité de l'ordre de 60 à 90 ksi (415 à 620 N/mm²) ont été atteintes et sont associées a d'excellen tes valeurs de la résilience des feuillards et des tôles jusqu'à 0.75 in. (19 mm) d' épaisseur. Selon la composition, la microstructure de ces aciers varie de ferritico-perlitique à une ferrite aciculaire.     

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).     

Reduction of chromites in methane-hydrogen mixtures-chromium sesquioxide

Abstract

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

Résumé

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

Effect of Composition and Heat Treatment Parameters on the Characteristics of Austempered Ductile Irons

Abstract

The discovery of Ductile Iron (DI) in 1948 provided new growth markets to the iron foundry industry. Precipitating the graphite phase as nodules in a continuous “pseudo-steel” matrix provided the mechanical strength and impact toughness lacking in gray cast irons. This new class of engineering materials was well suited to replace steel castings, forgings and assemblies, resulting in a North American production level exceeding four million tons (including pipe) of DI in 1995. This market growth was concurrent with the development of a family of materials which found applications in most industrial fields.

Austempered Ductile Irons (ADI) are the most recently developed materials of the DI family. By adapting the austempering treatment initially introduced for steels to DI, it has been shown that the resulting metallurgical structures provide properties that favorably compare to those of steel while taking advantage of a near-net-shape manufacturing process. The objectives of this paper are to review the metallurgical aspects of ADI production and to discuss the effects of chemical composition, heat treatment variables and initial casting quality on the structure and properties of ADI castings. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La découverte de la fonte à graphite spheroldal (GS) en 1948 a ouvert de nouvelles possibiliti é s de croissance à l'industrie de la fonderie. La pr é cipitation du graphite sous forme de nodules dans une matrice “pseudo-acier” en fait une fonte possédant la résistance mécanique et la ténacit émanquant aux fontes grises. Cette nouvelle catégorie de matériaux était particulierement bien adaptée pour remplacer les pieces d'acier coulees, forg é es ou soudées, ce qui a permis d'atteindre, en 1995, une production nordamericaine de fonte. GS depassant quatre millions de tonnes (incluant les tuyaux). Cette croissance du march é s'est accompagnee du developpement d'une famille de materiaux ayant trouve des applications dans tous les domaines de l'industrie.

Les fontes GS trait é es par “austempering” (ADI) représentent les dernieres n é es dela famille des fonts GS. En adaptant le traitement “d'austempering” initialement développé pour les aciers aux fontes GS, les structures métallurgiques obtenues ont permis d'atteindre des propriétés qui se comparent favorablement à celles de l'acier, tout en prenant avantage du pro cédéde fonderie. Les objectifs de cet article sont de revoir les aspects metallurgiques de la production de la fonte ADI et de discuter les effets de la composition chimique, des parametres de traitement thermique et de la qualité de la pièce coulée sur la structure et les propriétés de l'ADI. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Use of Catalytic Anodes For Zinc Electrowinning At High Current Densities From Purified Electrolytes

Abstract

Substantial energy savings are possible in zinc electrowinning by substituting catalytic oxygen evolution anodes for conventional lead-silver anodes. However, it is well known that the harmful effects of impurities usually present in zinc electrolyte solutions limit the service life of catalytic anodes, though their purification by solvent extraction could obviate such problems. Laboratory scale zinc deposition experiments with synthetic electrolytes have been performed to determine the effects of current density, temperature and electrolyte composition on cell voltages and current efficiencies. These data sets were used in an assessment of the optimum design parameters of the tank house. Zinc electrowinning at high current densities (higher than 2000 A/m²) using catalytic anodes and purified solutions (by solvent extraction) is proposed as an alternative to the conventional process, which is based on lead-silver anodes working at relatively low current densities (ca. 500 A/m²). Finally, a system for continuous deposition and stripping of the metal is discussed.

Des économies d'énergie importantes sont possibles pour l'extraction électrolytique du zinc en substituant des anodes catalytiques à évolution d'oxygène à des anodes conventionnelles de plombargent. Cependant, il est bien connu que les effets nocifs des impuretés habituellement présentes dans les solutions d'électrolyte de zinc limitent la vie des anodes catalytiques, bien que leur purification par extraction au solvant pourrait prévenir de tels problèmes. On a conduit des expériences de dépôt de zinc à l'échelle du laboratoire avec des électrolytes synthétiques afin de déterminer l'effet de la densité de courant, de la température et de la composition de l'électrolyte sur l'efficacité des voltages et du courant de la cellule. On a utilisé ces ensembles de données dans une évaluation des paramètres optimums pour la conception de la cellule d'extraction. On propose l'extraction électrolytique du zinc à hautes densités de courant (plus élevée que 2000 A/m²) en utilisant des anodes catalytiques et des solutions purifiées (par exemple, par extraction au solvant), comme remplacement du procédé conventionnel, qui est basé sur des anodes de plomb-argent opérant à des densités de courant relativement faibles (environ 500 A/m²). Finalement, on discute d'un système pour dépôt et enlèvement du métal en continu.     

A 3-D Numerical Prediction of Turbulent Flow,Heat Transfer and Solidification in a Continuous Slab Caster for Steel

Abstract

This study describes the numerical modeling of three-dimensional coupled turbulent flow, heat transfer, and solidification in a continuous slab caster for stainless steel. The model uses generalized transport equations which are applicable to the liquid, mushy and solid regions within the caster. The turbulent characteristics in the melt pool and mushy region are accounted for using the low-Reynolds number k–ε turbulence model by Launder and Sharma. This version of the low-Reynolds number turbulence model is found to be more easily adaptable to the coupled flow and mushy region solidification caster problem compared to the standard high-Reynolds number and other low-Reynolds number turbulence models. The macroscopic solidification process itself is based on the enthalpy-porosity scheme. The governing transport equations are solved employing the primitive variables and using the control volume based finite-difference scheme on a staggered grid. The process variables considered are the casting speed and the inlet superheat of the melt. The effects of these process variables on the velocity and temperature distributions and on the extent of the solidification and mushy regions are reported and discussed. The numerical predictions of solidification profile are compared with the limited experimental data available in the literature, and very good agreement was found. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Cette étude decrit la modélisation numerique de l'écoulement turbulent couple, à trois dimensions, du transfert de chaleur et de la solidification, lors du coulage en continu de dallé d'acier inoxydable. Le modéle utilisé des equations generalisées de transport qui sont applicables aux regions liquides, pateuses et solides à l'interieur de l'equipement de coulage. On tient compte des caractéristiques turbulentes du bain fondu et de la région pateuse en utilisant le modéle de turbulence a petit nombre de Reynolds k–ε, de Launder et Sharma. Cette version du modèle de turbulence à petit nombre de Reynolds est plus facilement adaptable à l'écoulement couple et la solidification de la région pateuse du problème de coulage que la version utilisant un nombre de Reynolds normal, élevé, ou que d'autrés modèles de turbulence à petit nombre de Reynolds. Le procédé meme de solidification macroscopiqué est base sur la combinaison enthalpié-porosite. On resout les équations de transport qui gouvernent en employant les variables primitives et enutilisant la mèthode des différences finies basée sur le volume de contrôle, sur une grille alterne. Les variables considerées dans ce procédé sont la vitesse de coulage et la surchauffe du liquide a l'entrée. On rapporte et discute de l'effet de ces variables du procédé sur la distribution de velocité et de température et sur l'étendue des régions solides et pateuses. On compare les prédictions numériqués du profil de solidification avec les données expérimentales limitées disponibles dans la litterature et on trouvé une très bonne concordance. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

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.