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.     

Evolution of Microstructures and Product Opportunities in Low Carbon Steel Strip Casting

Abstract

One of the greatest challenges in the direct casting of low carbon steel strip is the production of material with mechanical properties similar to those obtained via conventional strip production routes. A fundamental understanding of the microstructure evolution from solidification through to the final product is of critical importance in this endeavour. Experimental work was carried out using a special apparatus to establish links between heat transfer, nucleation, solidification, strip microstructures and mechanical properties. This information was used in conjunction with the actual microstructures and properties of strip obtained from a full scale development plant to define the breadth of product opportunities possible from the direct casting of low carbon steel strip.

L'un des plus grands défis de la coulée en moule de fonte de feuillard d'acier à faible carbone est la production de matériel ayant des propriétés mécaniques similaires à celles obtenues par l'intermédiaire des routes conventionnelles de production de feuillard. Une compréhension fondamentale de l'évolution de la microstructure depuis la solidification jusqu'au produit final est d'une importance critique dans cet effort. On a entrepris le travail expérimental en utilisant un appareil spécial afin d'établir des liens entre le transfert de chaleur, la nucléation, la solidification, les microstructures du feuillard et les propriétés mécaniques. On a ensuite utilisé cette information en conjonction avec les microstructures et les propriétés actuelles de feuillards obtenus d'une usine de développement à pleine échelle afin de définir l'ampleur des possibilités de produits obtenus à partir de la coulée en moule de fonte de feuillard d'acier à faible carbone.     

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.     

The Implementation of a Mathematical Model to Characterize Mold Metal Interface Effects in Metal Casting

Abstract

The formation of the air gap at the mold/metal interface during casting is responsible for considerable changes in local cooling rates. Often, boundary conditions input to a mathematical model have routinely been guessed at (often inaccurately) or have been determined experimentally, both of which can introduce difficulties in predicting solidification history. A novel technique which minimizes the error associated with selecting boundary conditions without experimentation is proposed. Advance knowledge of air gap formation and its correlation to the heat transfer coefficient at the mold/metal interface is used to formulate a coupled mathematical model which determines the growth of the air gap and predicts the instantaneous cooling conditions at a given mold wall. The accuracy of the simulation is consequently improved and the need to match experimental boundary conditions is eliminated. This paper presents the current results of an ongoing research program. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La formation d'un espace d'air à l'interface moule/métal lors du coulage est résponsable de changements considerables des taux de refroidissément locaux. Souvent, les conditions limites d'entrée d'un modéle mathematiqué ont fait 1'0bjet, par routine, d'une estimation (souvent incorrecte) ou ont été determinées experiméntalement, les deux methodés pouvant introduiré des difficultés dans la prediction de l'histoiré de la solidification. On propose une nouvellé technique qui minimise l'erréur associée avec la selection de conditions limites sans expérimentation. La connaissance, à l'avance, de la formation d'un espace d'air et sa correlation avec le coefficient de transfert de chaleur à l'interface moulé/metal est utilisée dans la formulation d'un modéle mathematiqué couple. Ce modéle determine la croissance de l'espace d'air et predit les conditions de refroidissément instantane à une paroi donnée du moule. L'éxactitude de la simulation est ameliorée, consequemment, et on elimine le besoin d'association à des conditions limites experimentales. Ce document présente les résultats courants d'un programme de recherche en cours. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Optimization of Mold Oscillation for High Speed Casting — New Criteria for Mold Oscillation

Abstract

Consistent and uniform lubrication in the mold during casting is an issue especially with high speed casting. However, criteria of mold oscillation related to lubrication, has not been clarified for critical conditions such as thin slab casting. This paper discusses the mechanism of powder penetration into the meniscus, in terms of negative strip area ratio and positive strip time, including the case of non-sinusoidal oscillation which is effective for better mold lubrication. In this context, a lubrication index is proposed as a new criteria which can be used to estimate mold powder consumption rate. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La lubrification consistante et uniforme du moule lors de la coulée est un sujet important, spécialement pour la coulée à haute vitesse. Cependant, les critéres d'oscillation du moule reliés à la lubrification n'ont pas été clarifiés pour des conditions critiques telles que la oulée de brame mince. Ce document discute du mécanisme de pénétration de poudre dans le ménisque, en termes de rapport négatif de surface d'écoulement et de durée positive d'écoulement, incluant le cas d'oscillation non sinusoïdale, plus efficace pour la lubrification du moule. Dans ce contexte, on propose un index de lubrification comme nouveau critére pouvant être utilisé dans l'estimation du taux de consommation de poudre du moule. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Effect of Mold EMS Design on Billet Casting Productivity and Product Quality

Abstract

Increased casting productivity, especially with the introduction of high speed billet casting (HSBC), re-emphasized the importance of high performing mold electromagnetic stirring (M-EMS) in attaining the targets of productivity and product quality. To provide operating flexibility and to enhance metallurgical performance, adapting M-EMS design to the requirements of casting practice with either the open stream pouring or submerged entry nozzle (SEN) has become critical. In that context, it is especially important to assess the effects of EMS design parameters that control stirring velocity in the meniscus region and the rest of the mold. Such a control is the key to EMS compatibility with the continuous casting practice and its high metallurgical performance.

In this paper, we discuss different M-EMS designs with reference to their metallurgical performance. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

L'augmentation de la productivité de coulée, spécialement avec l'introduction de la coulée de billette a haute vitesse (HSBC), a de nouveau attiré l'attention sur l'importance de l'agitation électromagnétique à haute performance du moule (M-EMS) pour atteindre les cibles de productivité et de qualité de produit. Afin de fournir une flexibilité d'operation et pour améliorer la performance métallurgique, il est critique d'adapter la conception M-EMS aux exigences de la pratique de coulée avec soit le déversement à jet libre ou avec un ajutage d'entrée submergé (SEN). Dans ce contexte, il est specialement important d'evaluer l'effet des paramètres de conception du EMS qui contrôlent la vitesse de mélange dans la region du menisque et dans le reste du moule. Un tel contrôle est la de de la compatibilite du EMS avec la pratique de coulee continue et de sa haute performance metallurgique.

Dans ce document, nous discutons de différents concepts de M-EMS avec référence à leur performance métallurgique. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Development of Mold (HS-MOLD) for High Speed Casting

Abstract

For the purpose of improving the productivity of electric arc furnace, it is required to increase the casting capacity at the continuous casting machine. To achieve this purpose, we have developed a Special Taper Tube for high speed casting (HS-Mold), together with Kyoei Steel Ltd. Along with this development, we have also established the high speed casting technologies to cast at the speed of 4.6 m/min for 130 mm² billets, by implementing high pressurized mold water spraying and improving the cooling water pressure at the roller apron. © 2000 Published by Elsevier Science Ltd on behalf of the Canadian Institute of Mining and Metallurgy. All rights reserved.

Résumé

Dans le but d'améliorer la productivité du four électrique à arc, on doit augmenter la capacité de coulage de l'appareil de coulée continue. Dans ce but, nous avons développé un tube spécial effilé pour le coulage à haute vitesse (moule-HV), avec Kyoei Steel Ltd. En parallèele avec ce développement, nous avons aussi établi les techniques de coulage à haute vitesse, coulant ainsi à la vitesse de 4.6 m/min pour des billettes de 130 mm². Pour ce faire, nous avons installe un systeme d'aspersion du moule avec de l'eau a haute pression et nous avons amélioré la pression de l'eau de refroidissement à la hauteur du tablier roulant. © 2000 Published by Elsevier Science Ltd on behalf of the Canadian Institute of Mining and Metallurgy. All rights reserved.     

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.     

A guide to Canadian Graduate Studies in Metallurgy and Materials

Abstract

Metal-particle composites can be relatively easy to produce by filling the interspaces in the particle aggregate with melt by pressure casting. Molten tin was used to infiltrate SiC particle aggregates. Different particle aggregate sizes were used. The aggregate was heated in a mould of 40 mm in diameter and 100mm in height, and the mould was set on a press of capacity up to 600 kg/cm². As soon as the tin was poured into the mould, it was pressed at a predetermined pressure so that the melt could flow into the interspaces between the particle aggregates. The parameters controlling this technique were studied. The effects of particle sizes and volume fractions on the hardness and the microstructure of the composites were identified.

Résumé

Les composites à matrice métallique renforcés de particules peuvent être produits aisément en forcant la matrice en fusion dans les interstices d'aggrégats de particules par un procédé de coulée sous pression. L'etain liquide agit comme infiltrant dans des aggrégats composés de differentes grosseurs de particules. L'aggrégat est tout d'abord chauffé dans un moule dont le diamètre est 40 mm et la hauteur 100mm, et celui-ci est monte sur une presse dont la capacité atteint 600 kg/cm². L'étain en fusion est alors versé dans le moule et pressé à une pression prédéterminée pour que le métal liquide s'écoule entre les particules de l'aggrégat. Les paramètres contrôlant cette technique ont été étudiés. Les dfets de la dimension des particules ainsi que leur fraction volumique sur la dureté et la microstructure du composite, ont été identifiés.     

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.     

Technological Developments for High Speed Casting of Sensitive Steel Grades

Abstract

Several years ago, in response to the trends in continuous casting technology, Paul Wurth undertook a program to develop and improve casting technology for high quality billet and bloom production.The goal of the program was to simplify the casting machine and design the equipment to be able to produce high quality billets at higher casting speeds. The approach was three-fold: first, design a new oscillation system with more control and flexibility; second, improve the spray conditions to support the higher casting speeds; and third, implement longer mold designs. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Il y a plusieurs aneées, en résponse aux tendances de la technologie de coulée continue, Paul Wurth a entrepris un programme de développement et d'amélioration de la technologie de coulée pour la production de haute qualité de billette et de lingot. Le but du programme était de simplifier l'appareil de coulée et de concevoir de l'equipement permettant de produire des billettes de haute qualité à de plus grandes vitesses de coulee. L'approache comprenait trois parties; premieéement, concevoir un nouveau système d'oscillation avec plus de contrôle et de felxibilité, deuxiemement, ameliorer les conditions d'aspersion afin de supporter les plus grandes vitesses de coulée et, troisèmement, fabriquer des moules plus longs. © 2000 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

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.     

Wear Characteristics of a Zinc-Based Alloy Compared With a Conventional Bearing Bronze Under Mixed Lubrication Conditions: Effects of Material and Test Parameters

Abstract

This study discusses the sliding wear response of a zinc-based alloy (conforming to ZA 27) in mixed lubrication conditions at different sliding pressures and speeds. A conventional bearing bronze (conforming to SAE 660) was also tested under identical test conditions for comparison purposes.

Wear rate increased with speed and pressure. Further, the zinc-based alloy attained superior wear response (less wear rate and frictional heating) than the bronze at all test speeds except prior to seizure (occurring at 7.0 MPa) at the speed of 4.60 m/s. The trend reversed in the latter case. Wear rate of the specimens also agreed with the degree of frictional heating experienced by them. A higher wear rate corresponded to larger frictional heating and vice versa. Wear behaviour of the samples improved considerably in the present study due to the presence of the oil lubricant as compared to the study in dry conditions.

Wear behaviour of the samples has been discussed in terms of the nature and response of their various microconstituents and the effects produced by varying test speeds and pressures under mixed lubrication conditions. Features of wear surfaces, subsurface regions and debris particles generated during the testing of the specimens further substantiated the observed wear behaviour of the samples and were helpful in understanding the operating wear mechanisms.

Cette étude discute de la réponse à l'usure par glissement d'un alliage à base de zinc (seconformant à ZA 27) sous condition de lubrification mixte à différentes pressions et vitesses de glissement. On a aussi évalué un bronze conventionnel pour palier (se conformant à SAE 660) sous des conditions identiques pour fin de comparaison.

Le taux d'usure augmentait avec la vitesse et la pression. De plus, l'alliage à base de zinc démontrait une réponse supérieure à l'usure (i.e. un plus bas taux d'usure et moins de chaleur de friction) en comparaison avec le bronze, à toutes les vitesses d'évaluation sauf juste avant qu'il ne grippe (ce qui se produit à 7.0 MPa), à la vitesse de 4.60 m/s; la tendance s'inversait dans ce dernier cas. Le taux d'usure des spécimens était aussi en accord avec leur degré d'échauffement par friction, i.e. un plus haut taux d'usure correspondait à un échauffement plus important par friction et vice-versa. Le comportement d'usure des échantillons s'est amélioré considérablement dans la présente étude à cause de la présence de l'huile lubrifiante en comparaison avec l'étude en condition sèche.

On a discuté du comportement d'usure des échantillons en termes de la nature et de la réponse de leurs divers micro constituants ainsi que des effets produits en variant la vitesse et la pression d'évaluation sous condition de lubrification mixte. Les caractéristiques des surfaces d'usures, des régions sous la surface ainsi que des débris de particules générés lors de l'évaluation des spécimens ont davantage établi le comportement observé d'usure des échantillons et étaient utiles pour comprendre les mécanismes d'usure en opération.     

A comparison between the predicted and experimental microstructure of electron beam welded eutectoid steel

Abstract

Experimental evidence is presented to support the assumptions included in the electron beam welding heat flow model of Goldaket al. (1). The predicted time-temperature curve of a point near the weld is compared with the calculated time-temperature curve. The observed and calculated fusion and transformed zone widths are compared. The microstructures in the fusion and heat-affected zones are compared with those predicted from calculated time-temperature curves and a continuous cooling diagram for AISI 1080 steel. The general agreement between the experimental and calculated results shows that reliable predictions can be made from a heat flow model that neglects latent heat and assumes a mean thermal diffusivity and thermal conductivity.

Résumé

Des faits expérimentaux sont présentés à l'appui des hypothèses formulées dans le modèle de Goldaket al. (1) sur l'éculement de chaleur au cours du soudage par faisceau electronique. La courbe prédite temps-température d'un point situé au voisinage de la soudure est comparée avec la courbe calculée. Sont également calculées les largeurs des zones de fusion et des zones transformées ainsi que les microstructures de ces zones avec celle prévue à partir des courbes de refroidissement et des diagrammes de transformation en refroidissement continu pour l'acier 1080. L'accord général obtenu entre les observations expérimentales et les faits prédits par calcul, montrent que des prédictions valables peuvent être faites à partir d'un modèle d' écou1ement de la chaleur qui néglige la chaleur latente et assume des diffusivité et conductibilité thermiques moyennes.     

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.     

Equilibrium phase relationships during solidification of Fe-O-C-X alloys

Abstract

Analysis of the solidification process of alloys requires that the phase relationships at equilibrium be known. The problem is complex and difficult for commercial ferrous alloys because of the presence of iron, carbon, oxygen, a deoxidizer, manganese, sulphur, etc. This study develops the phase relationships in the iron-rich corner of four component systems and covers the Fe-O-C-Si and Fe-O-C-Al systems specifically. The equilibrium state is treated at 1 atm pressure. The effects of suppression of formation of CO and of segregation of elements between liquid and solid iron are then analyzed.

Résumé

L'analyse du procédé de solidification des alliages requiert que la relation des phases à l'equilibre soit connue. Le problème est complexe et difficile pour les alliages ferreux commerciaux à cause de la présence de fer, de carbone, d'oxygene, d'un désoxydant, de manganèse, de soufre, etc. L'étude présente développe la relation des phases dans la région riche en fer d'un système à quatre composants, en particulier les systèmes Fe-O-C-Si et Fe-O-C-Al. L'équilibre est traité à 1 atm. de pression. Les effets de la suppression de formation de CO et de ségrégation d'éléments entre le fer liquide et solide sont ensuite analysés.     

AMATHEMATICAL MODEL OF A DC ELECTRIC FURNACE FOR RECOVERY OF ZINC FROM LEAD BLAST FURNACE SLAG

Abstract

A mathematical model has been developed for fluid flow and heat transfer in a prospective process to recover lead and zinc by a DC electric fuming process from lead blast furnace slag. The modelling consisted of several steps. Algebraic equations were used to obtain arc momentum and temperature. Fluid flow simulations were performed to calculate the top slag surface depression and the results were then imposed upon the subsequent fluid flow and heat transfer simulation. Using this procedure, a number of simulations of the DC arc furnace operation were carried out for various conditions. Velocities and temperatures in the slag and metal, as well as sidewall heat fluxes were evaluated with the model. The model predicts, in most cases, that the sidewall heat fluxes were less than 200 kW/m² and they would increase with decreasing furnace diameter and decreasing slag solidus temperature. The results of the model have been useful in the design of a furnace.

On a développé un modèle mathématique de l’écoulement des fluides et de la transmission de chaleur pour un procédé prospectif de récupération du plomb et du zinc par un procédé d’ébullition avec courant électrique continu à partir de la scorie de plomb du haut-fourneau. La modélisation consiste en plusieurs étapes. On a utilisé des équations algébriques pour obtenir la quantité de mouvement et la température de l’arc. On a effectué des simulations d’écoulement de fluide pour calculer la dépression de la surface de la scorie et l’on a ensuite imposé les résultats à la simulation subséquente d’écoulement de fluide et de transmission de chaleur. Utilisant cette procédure, on a exécuté un certain nombre de simulations du fonctionnement du four à arc à courant continu sous des conditions variées. Au moyen du modèle, on a évalué la vélocité et la température de la scorie et du métal ainsi que le flux de chaleur des parois latérales. Dans la plupart des cas, le modèle a prédit que le flux de chaleur des parois latérales était moins de 200 kW/m² et qu’il augmenterait avec une diminution du diamètre du four et une diminution de la température de solidus de la scorie. Les résultats du modèle ont été utiles pour la conception d’un four.     

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.     

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.     

An assessment of the accuracy of the high-temperature heat capacity of solid metals

Abstract

Comparison of the values of the reported high temperature heat capacity of solid metals frequently shows wide variance, usually increasing with increasing temperature. Unfortunately, measurements on specimens made from the same stock material frequently show deviations well outside the uncertainty claimed by the investigators. Typical data are presented to illustrate the significance of the problem. It is clear that the origin of most of the differences lies in unrecognized errors in the experimental techniques. Possible sources of errors and the practicality of establishing a metal as a heat capacity standard are discussed.

Résumé

Les valeurs rapportées de la chaleur spécifique à haute témperature des solides montrent fréquemment une grande dispersion qui, en général, augmente avec la température. Malheureusement, les mesures faites pour des échantillons différents provenant du même matériel montrent une dispersion en dehors du domaine d'incertitude donné par les chercheurs. On rapporte des données typiques pour illustrer l'importance du probléme. C'est clair que les différences observées sont dues à des sources d'erreur, non identifiees, introduites lors de la réalisation des expériences. On a discuté les sources d'erreur possibles et la possibilité d'établir un métal comme standard pour la chaleur spécifique.