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

Abstract

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

Résumé

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

Studies on the Removal of Harmful Elements During Sintering of Siderite Iron Ore

Abstract

Addition of small amounts of calcium and magnesium chlorides to the sinter charge of siderite iron ore, to minimise the percentages of harmful elements such as Pb, Zn, Cu, Sb and As was successfully performed. Remarkable removal of these elements was achieved during sintering. The produced sinter acquired good physical characters, like Iso tumbler index. The oxidation, desulphurization and reducibility of sinters were satisfactory. X-ray analysis and microscopic examinations indicated the nature and kind of minerals already present in sinters.

Résumé

On a, par l'addition de faibles quantités de chlorures de calcium et de magnésium à la charge lors du frittage d'un minerai de fer et de sidérite, réussi à minimiser les pourcentages d'éléments nocifs tels Pb, Zn, Cu, Sb et As. Pendant le frittage une élimination remarquable de ces éléments a été réalisée. Le produit fritté possède de bonnes caractéristiques physiques, surtout en ce qui a trait à sa résistance à l'abrasion (essais de chutes ISO). L'oxydation, la désulfuration et la réductibilité des produits frittés est satisfaisante. Des analyses par rayons X et des examens microscopiques indiquent la nature et le genre des minéraux présents dans les produits frittés.     

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.     

Kinetics of reactions between gases and molten alloys of iron

Abstract

Under conditions where transport in the gas phase is rate determiiling, a unified concept of reactions between gases and solutes dissolved in liquid metals may be based on the equilibrium constant for the reaction. Examples are given for reactions between the gases hydrogen or oxygen and the solutes carbon, sulphur and oxygen dissolved in liquid iron.

Résumé

Quand le transport en phase gazeuse détermine le taux de réaction, un concept unifié de réactions entre des gaz et des solutés dissouts dans un métal liquide peut être basé sur les constants d'équilibre de la réaction. Nous présentons des exemples pour la réaction de l'oxygène ou de l'hydrogène gazeux avec du carbone, du soufre ou de l'oxygène dissouts dans du fer liquide.     

Reduction behaviour of rice husk ash for preparation of high purity silicon

Abstract

The reduction of rice husk ash (RHA) silica for the preparation of high purity silicon was studied using magnesium as the reducing agent. Composite magnesium–RHA pellets with magnesium content varying 0–25 wt-% in excess of stoichiometry requirement were made and heated in the temperature range of 600–900°C under flowing argon. It was found through differential thermal analysis and temperature profile recording that the reaction of RHA silica with magnesium was triggered at ～575°C. Quantitative X-ray diffraction analyses of the reduction products showed that both initial magnesium content of the pellets and the reduction dwell temperature had a significant influence on the yield of silicon. In this study, a charge with 5 wt-% magnesium in excess of the stoichiometric amount at a reduction temperature of 900°C gave a maximum silicon yield.

On a étudié la réduction de la silice de cendre de balle de riz (RHA) dans la préparation de silicium à haut degré de pureté en utilisant du magnésium comme agent de réduction. On a fabriqué des boulettes composites de magnésium-RHA avec une teneur en magnésium variant de 0 à 25% en poids en excès des besoins de la stoechiométrie et on les a chauffées dans la gamme de température de 600 à 900°C sous un flux d’argon. On a trouvé, par analyse thermique différentielle (DTA) et par enregistrement du profil de température, que la réaction de la silice de RHA avec le magnésium était déclenchée à environ 575°C. Des analyses quantitatives par XRD des produits de réduction ont montré que tant la teneur initiale en magnésium des boulettes que la température de maintien de la réduction avaient une influence importante sur le rendement en silicium. Dans cette étude, une charge avec 5% en poids d’excès de magnésium sur la quantité stoechiométrique à la température de réduction de 900°C donnait un rendement maximal de silicium.     

Basic electric furnace slag-line and bank maintenance refractories

Abstract

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

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

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

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

Résumé

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

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

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

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

Silicon reduction of alkali metal oxides of the type Na2O·Al2O3–xSiO2

Abstract

During the silicothermic production of magnesium from dolomite, alkali metals are produced. Assuming that these metals are present in the ore as complex oxides, the silicon reduction of the mineral nepheline syenite was examined.

This mineral was very resistant to reduction by silicon. At. 1150°C, reaction was 65% complete in seven hours. When MgO and CaO were added, the reaction was 50% complete in two hours. It is suggested that the magnesium gas produced by the reduction of MgO reduces the alkali metal silicate.

Résumé

Au cours de la préparation du magnésium par silicothermie il y a production de métaux du groupe alcalin. En faisant l'hypothese que ces métaux proviennent d'oxydes complexes compris dans le minerai il devenait intéressant d'examiner la réduction de la syénite néphélénique par sillcothermie.

Cette espèce minérale est très refractaire à la réduction par le silicium. A 1150°C la réaction était à 65 p. 100 complétée en sept heures. En présence de MgO et de CaO la réaction était à 50 p. 100 complétée en deux heures. Il semblerait que la vapeur de magnésium provenant de la réduction du MgO réduise le silicate du métal alcalin.     

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.     

Effects caused by convection in the capillary and by stirring of the reservoir in the capillary-reservoir technique for measuring diffusion coeffients in liquid metals

Abstract

Causes of inaccuracy in determining diffusion coefficients in liquid metals by the capillary-reservoir technique have been investigated. Diffusion of silver in alloys of silver in liquid tin was chosen as a typical system. Examination was made of effects caused by stirring the reservoir, negative temperature gradients, and density gradients set up by differences in solute concentration between the liquid in the capillary tube and that in the reservoir. The results show that all three should be avoided if accurate data is to be obtained.

Réesumé

Léauteur a recherché les causes du manque de précision dans la détermination des coefficients de diffusion dans les métaux liquides par la méthode du réservoir capillaire. Le système type choisi a été pour la diffusion de l'argent dans des alliages d'argent dans de l' étain liquide. Ont été examinés les effets causés par une agitation du réservoir, par des gradients négatifs de tempétature, et par des gradients de densité dus à des différences de concentration des solutés entre le liquide contenu dans le capillaire et celui contenu dans le réservoir. Pour obtenir de bonnes mesures, ces trois effets doivent étré évités.     

Lateritic saprolite leaching in concentrated magnesium chloride media

Magnesium chloride brines present a number of potential advantages for the processing of lateritic saprolite ores for nickel production. Concentrated MgCl₂ solutions enhance the activity of acid used, allow atmospheric leaching at elevated temperature, and inhibit magnesium dissolution, which reduces acid consumption and increases metal selectivity. However, with a chloride based leach it is economically requisite to recover hydrochloric acid, conventionally accomplished by pyrohydrolysis. This work was performed in conjunction with a novel flowsheet for the processing on saprolite ores, which recovers HCl by the precipitation and subsequent decomposition of magnesium hydroxychlorides, alleviating some of the issues with pyrohydrolysis. Leaching experiments have been conducted in concentrated MgCl₂ brines, up to 4·5 m, to determine the amenable process conditions and explore the kinetics of the process. It was determined that >95% extraction of metals was possible using both aqueous and gaseous HCl, while suppressing the dissolution of Mg from the ore.

Les saumures de chlorure de magnésium présentent un nombre d’avantages potentiels dans le traitement des minerais de saprolite latéritique pour la production du nickel. Les solutions concentrées de MgCl₂ augmentent l’activité de l’acide utilisé, permettent la lixiviation atmosphérique à haute température, et inhibent la dissolution du magnésium, ce qui réduit la consommation d’acide et augmente la sélectivité du métal. Cependant, avec une lixiviation à base de chlorure, on doit récupérer l’acide hydrochlorique pour raison économique, ce qui est accompli conventionnellement par pyrohydrolyse. On a effectué ce travail en conjonction avec un nouveau schéma de procédé pour le traitement des minerais de saprolite, lequel récupère le HCl par précipitation et par décomposition subséquente des hydroxychlorures de magnésium, ce qui atténue certains des problèmes reliés à la pyrohydrolyse. On a effectué des expériences de lixiviation dans des saumures concentrées de MgCl₂, jusqu’à 4·5 m, afin de déterminer les conditions favorables du procédé et d’explorer la cinétique du procédé. On a déterminé qu’il était possible d’extraire >95% des métaux en utilisant à la fois le HCl aqueux et gazeux, tout en supprimant la dissolution du Mg du minerai.     

The Recrystallization Behaviour of Zinc Alloys Containing Magnesium,Cadmium, Copper,Silver, Lead and Iron

Abstract

Small amounts of magnesium, cadmium, copper, silver, lead and iron were studied for their effect on the recrystallization rate of 99.999 per cent zinc. Additions of cadmium and magnesium as small as 0.02 atomic per cent markedly retarded recrystallization rate. The other additions had less influence than the h.c.p. solutes. Lead and iron, which are almost insoluble in zinc, had no effect on recrystallization rate.

Résumé

On a étudié l'influence de petites quantités de magnésium, cadmium, cuivre, argent, plomb et fer sur le taux de recristallisationdu zinc à 99.999 pour cent.

La vitesse de recristallisation fut nettement retardée en ajoutant aussi peu que 0.02 pour cent atomique de cadmium et magnésium.Les autres additifs eurent moins d'influence que les solutés à réseau hexagonal compact. Le plomb et le fer, qui sont presque insolubies dans la zinc, n'eurent aucun effet sur la vitesse de recristallisation.     

Decarburization of iron-carbon alloys by argon-oxygen mixtures

Abstract

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

Résumé

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

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.     

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.     

The use of a stabilized zirconia cell to study the fluidized bed reduction of iron ore

Abstract

The use of stabilized zirconia cells to follow the progress of the batch reduction of iron ore by hydrogen in a fluidized bed was investigated. The reduction patterns of the several ores examined were very similar, showing clearly the step-wise progression of particles from hematite through magnetite and wustite to iron. Use has been made of this pattern for the timed extraction of particles from the bed for morphological studies of the reaction. By using multiple taps on the zirconia cell, the approach of the gas phase to equilibrium with solids in the bed could be examined. It was also possible to measure the oxygen potential of the solid material in the bed by stopping the reaction. No variation in composition with height was found within experimental error.

Résumé

L'utilisation de cellules de zircone stabilisées pour suivre 1' évolution de la réduction de minerais de fer par l'hydrogène dans un lit fluidisé a été etudiée. Les étapes de réduction de différents minerais examinés étaient très similaires, montrant clairement les étapes correspondant à la réduction de l'hématite puis de la magnétite et de la wiistite jusqu'au fer. Cette progression a permis l'extraction programmée de particules du lit afin de faire des études morphologiques de la réaction. Grâce aces cellules de zircone il a été possible de mesurer l' évolution de la composition de la phase vers l' équilibre avec les solides du lit fluidisé. Il à été aussi possible de mesurer le potentiel d'oxygène des solides du lit en stoppant la réaction. Aucune variation dans la composition avec la hauteur n'a été trouvée, aux erreurs experiméntales près.     

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.     

The determination of oxygen activity in liquid steel and the practical use of these values to control deoxidation

Abstract

The application of a galvanic oxygen-concentration cell to measure dissolved oxygen content in molten steel has been investigated using Leigh Instruments’ Oxygen Probe. Data collected on 65 BOF heats (0.12% max. carbon) were processed for multiple correlation analysis on Algoma Steels IBM 1150 computer. Nomographs, to predict the oxygen concentrations in liquid steel before tap, were constructed on the basis of regression equations developed from multiple analysis. Results show that oxygen concentrations in low carbon steels (0.12% max. carbon), determined with the help of these nomographs, are within less than 10% of the true oxygen values obtained by using oxygen probe measurements.

Oxygen values determined before tap are later used as a basis for etermining ladle aluminum requirements for low-carbon, aluminum-killed (L.C.A.K.) BOF steels. Another nomograph is constructed from which the quantity of aluminum to be added to the ladle can be directly read. Results show that the per cent frequency in meeting aim aluminum ranges for these heats has nearly doubled since the nomograph has been used in production. Considerable savings in aluminum consumption have also been reported, together with a sizable reduction in the diversion rate for L.C.A.K. steel.

Résumé

L'applicabilite d'une sonde à oxygène pour mesurer l'oxygène dissout dans l'acier liquide a été appréciée en utilisant une sonde à oxygène de Leigh Instruments. Les données recueillies sur 65 charges de convertisseur à oxygené (0.12% max. de carbone) ont été analysées par corrélations multiples, sur calculateur IBM 1150 de l'Algoma. Les nomogrammes, pour prédire la concentration d'oxygéne dans l'acier liquide avant la coulée, ont été construits à partir des équations de régression obtenues après analyse statistique des résu1tats. Les résultats subséquemment obtenus de ces nomogrammes montrent que les concentrations en oxygène pour les aciers à bas carbone (0.12% max. de carbone) ne diffèrent pas de plus de 10% des valeurs obtenues par mesure directe de l'oxygene avec la sonde à oxygéne.

Les valeurs d'oxygène ainsi obtenues avant la coulée sont par la suite utilisées pour déterminer les quantités d'aluminium dans la poche de coulée a ajouter pour ces aciers de convertisseur à oxygène à bas carbone calmés a l'aluminium. Un autre nomogramme a été construit a partir duquel on peut lire directement la quantité d'aluminium, a ajouter dans la poche de coulée. Les résultats démontrent que depuis que ce nomogramme a été utilisé en production, le pourcentage de fois que la quantité d'aluminium nécessaire ajouté s'est avéré exacte a presque doublé. Ses économies substantielles dans la consommation d'aluminium ont été ainsi enregistrées ainsi qu'une réduction appréciable de différence dans les nuances de ces aciers à bas carbone, calmé à l'aluminium.     

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.     

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

Abstract

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

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

Vacuum desulphurization of molten nickel

Abstract

A mass transfer model has been developed that describes the vacuum desulphurization of molten nickel. The basis of this model is simultaneous transport of dissolved sulphur and oxygen to the gasmelt reaction interface and elimination as sulphur dioxide. The main feature of this model is its accurate prediction of the dependence of the process kinetics on the oxygen content of the melts. This model successfully expains the post-boil desulphurization behaviour of 40 Kg and 120 Kg laboratory nickel melts over the whole range of sulphur and oxygen concentrations measured. The kinetic parameters thus determined were successfully used to predict the post-boil desulphurization behaviour of 5 and 15 tort nickel melts refined in commercial units.

Résumé

Nous avons dévelopé un modèle basé sur la théorie du transfert de masse pour décrire la vitesse de désulphuration du nickel liquide sous vide. L'essence de ce modèle est Ie transfert simultané du soufre et de l'oxygène en solution vers l'interface de réaction gaz-liquide et leur élimination sous forme gazeuse en tant que SO₂. Ce modèle predit avec précision les variations des vitesses de réaction en fonction de la concentration d'oxygene dans le metal liquide.

Nous avons utilisé ce modèle pour expliquer avec grand succés les caracteristiques de la desulphuration de bains de 40 et 120 Kg rafinés dans notre laboratoire. Le modéle peut être appliqué à tous les in tervalles de concentrations en soufre et en oxygène qui ont été traitées.

Les coefficients de cinétique chimique que nous avons obtenus de cette façon ont peut être utilises pour prédire les vitesses de désulphuration de bains de 5 et 15 tonnes rafinés dans nos usines de production d'acier inoxidable.