A study of ancient slags from Oman

Abstract

Microscopic, chemical and X-ray techniques were used to examine slags from an extensive ancient mining site in the Persian Gulf area. The experimental results indicated that the samples were pieces of tapped slag and furnace slag from a production of copper matte. Such copper mattes could have been smelted in furnaces similar to those used during the Roman period in Timna, Israel.

Résumé

Les auteurs ont utilisé des techniques microscopiques, chimiques et de rayon-X pour examiner les laitiers provenant d'un ancien site minier de grande envergure de la région du Golfe Persique. Les résultats expérimentaux ont révélé que les échantillons étaient des morceaux de laitier de perçage et de laitier de fourneau venant de la production d'une matte de cuivre. Le smeltage de telles mattes de cuivre aurait pu se faire dans des fourneaux semblables à ceux utilises dans la période romaine à Timna en Israel.     

ELECTROLYSIS OF LIQUID FAYALITE SLAGS

Abstract

Electrolysis of liquid fayalite slags was carried out at 1250 °C using a liquid copper cathode and an inert platinum anode. At the cathode, iron precipitated with a current efficiency above 55%. The cathodic current efficiency decreased with increasing slag magnetite content. When Cu₂O was added to the slag, metallic copper was formed at the cathode with current efficiencies as high as 80%. In terms of the recovery of copper from metallurgical slags, electrolysis would be most beneficial for slags with a high dissolved copper content such as slags from direct to copper smelting.

Over time, the cell voltage decreased due to an increase in the effective surface area of the anode and also partly due to an increase in the slag conductivity due to increasing magnetite content. The increasing anode area was caused by a magnetite-rich deposit forming around the platinum wire anode.

On a effectué l’électrolyse de laitiers de fayalite liquides à 1250 °C en utilisant une cathode en cuivre liquide et une anode inerte en platine. Le fer était précipité à la cathode avec un rendement du courant au-dessus de 55%. Le rendement du courant cathodique diminuait avec une augmentation de la teneur en magnétite du laitier. Lorsqu’on ajoutait du Cu₂O au laitier, du cuivre métallique se formait à la cathode avec des rendements de courant aussi élevés que 80%. En ce qui concerne la récupération du cuivre à partir des laitiers métallurgiques, l’électrolyse serait davantage bénéfique pour des laitiers ayant une teneur élevée en cuivre dissous, comme des laitiers du traitement direct de fonte de cuivre.

Avec le temps, le voltage de la cellule diminuait à cause d’une augmentation de la superficie efficace de l’anode et aussi en partie à cause d’une augmentation de la conductivité du laitier résultant d’une augmentation de la teneur en magnétite. L’augmentation de la superficie de l’anode était causée par un dépôt riche en magnétite qui se formait autour du fil en platine de l’anode.     

Review of the hydrometallurgy of chalcopyrite concentrates

Abstract

A critical appraisal has been made of methods that have been proposed for the hydro metallurgical treatment of chalcopyrite concentrates. Those methods in which the primary breakdown of chalcopyrite is effected by leachants are discussed. Methods in which leaching is preceded by pyrometal-lurgical decomposition of the mineral include selective sulphation and nonoxidizing treatments in which the ratios of copper, iron and sulphur are changed. No process has yet been found that can replace conventional pyrometallurgical processing, although several have reached the pilot plant stage. The incentives for devising an economic hydrometallurgical process for extracting copper from sulphide ores are the avoidance of air pollution and the possibility of recovering iron, elemental sulphur and other nonferrous metals.

Résumé

Une appréciation critique a été faite des méthodes proposees pour le traitement hydrométallurgique des concentrés de chalcopyrite. Les méthodes par lesquelles la deécomposition originale de la chalcopyrite est affectée par les lixiviants, sont décrites. Les méthodes selon lesquelles la lixiviation est précédée par la décomposition pyrométa1lurgique du minerai comprennent la sulphatation sélective et les traitements non-oxydants dans lesquels les concentrations relatives de cuivre, fer et souffre sont changées. Aucun procédé pouvant remplacer les procédés pyrométallurgiques conventionnels n'a encore été trouvé, bien que plusieurs soient parvenus au stade de l'exploitation sur pilote. L'intérêt d'un procédé hydrométallurgique économique, pour l'extraction du cuivre, à partir des minerais de souffre, serait la non-pollution de l'air et la possibilité de récupération du fer, du souffre élémentaire et des autres métaux non-ferreux.     

Enhancement of the Cementitious Properties of Steelmaking Slag

Abstract

The overall objective of this work was to determine whether steel slag might be processed into a sufficiently cementitious material to allow it to be recycled as an additive to ordinary Portland cement clinker. Steel slag has limited cementitious properties due to both a lack of tricalcium silicate and the presence of wustite solid solutions as a predominant mineral phase. This work explores the effects of Fe oxidation state, overall composition, and cooling rate on the mineral structure, crystalline formation, and glass forming ability of several synthetic slags and one commercial BOF slag. XRD, SEM, and EDX analyses were performed on both slow cooled and quenched slags which had been oxidized. The granulated slag product was blended with Portland cement in varying ratios and hydrated to form cylindrical compression specimens. By controlling certain slag processing conditions, specifically the oxidation of bivalent xiron and the quenching rate of the molten slag, the cementitious nature of the material is enhanced. This allows the material to be blended with Portland cement (at additions of up to 20% by weight), without affecting the strength and performance of the material. © 1998 Published on behalf of Canadian Institute of Mining and Metallurgy by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

L'objectif général de ce travail consistait à déterminer si on pouvait transformer le laitier de l'acier en un matériau ayant des propriétés ad é quates permettant de le recycler comme additif de clinker de ciment Portland ordinaire. Le laitier ctacier a des propriétés limité es comme ciment dll à la fois au manque de silicate tricalcique et à la présence de solutions solides de wustite dans la phse minerale pr é dominante. Ce travail explore les effets de l'état d'oxydation du Fe, de la composition générale et du taux de refroidissement su la structure minerale, sur la formation de cristaux et sur la capacité de formation de verre de plusieurs laitiers synthétiques et d'un laitier de fournaise basique a oxyg è ne. On a effectu é des analyses XRD, SEM et EDX, tant de laitiers refroidis lentement que de laitiers trempes, qui auparavant avaient ete oxydes. On a melange le produit de laitier granule avec du ciment Portland en diverses proportions et on l'a hydrate pour former des echantillons de compression cylindriques. En controlant certaines conditions de traitement du laitier, plus specifiquement l'oxydation du fer bivalent et le taux de trempe du laitier fondu, les propi étés-ciments de ce materiau sont ainsi ameliorées. Ceci permet de melanger le matériau avec du ciment Portland (additions jusqu' à 20% en poids), sans affecter la résistance ni la performance du matériau. © 1998 Published on behalf of Canadian Institute of Mining and Metallurgy by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

The Physical Chemistry of Copper Smelting Slags and Copper Losses at the Paipote SmelterPart 2 – Characterisation of industrial slags

Abstract

The results of an investigation on copper losses in industrial slag from the Teniente converter (TC) and from the electrical slag cleaning furnace (EF) at the Paipote smelter in Chile are presented. Slag samples from each furnace were characterised using chemical and mineralogical techniques. The distribution of the various phases, including entrained matte, was quantified by semi-automatic image analysis. The level of soluble copper was measured by EPMA on samples cooled at a fast cooling rate. The phases found in the slag samples after such cooling are in agreement with thermodynamic calculations of the solidification process. Two types of magnetite crystals were observed in the TC slag samples: magnetite formed during slag solidification (type II) and magnetite which was present as a solid in the melt (type I). The portion of magnetite (type I) was found negligible in the EF slag samples. Sulphide phases were identified in the slag samples as solidified entrained matte, and sulphides present via ex-solution from the liquid slag during solidification. In the case of the TC, the present study has shown that with ～4·6 wt-%Cu in slag, about 87% was present as entrained matte. For the electrical furnace, the amount of entrained matte represents some 25% of the copper when the average copper level in EF slag samples was ～0·74 wt-%Cu.

Les résultats d'une étude sur les pertes en cuivre dans les laitiers du convertisseur Teniente (TC) et du four électrique (EF) de nettoyage du laitier de la fonderie de Paipote au Chili sont présentés. On a caractérisé des échantillons de laitier de chaque four en utilisant des techniques chimiques et minéralogiques. On a quantifié la distribution des diverses phases, incluant la matte entraînée, au moyen de l’analyse d’image semi-automatique. On a mesuré le niveau de cuivre soluble par EPMA sur des échantillons refroidis à un taux rapide de refroidissement. Les phases retrouvées dans les échantillons de laitier après un tel refroidissement sont en accord avec les calculs thermodynamiques du processus de solidification. On a observé deux types de cristaux de magnétite dans les échantillons de laitier du TC: la magnétite formée lors de la solidification du laitier (type II) et la magnétite présente sous forme solide dans le bain (type I). On a trouvé que la portion de magnétite (type I) était négligeable dans les échantillons de laitier du EF. Les phases de sulfure provenant de la matte entraînée solidifiée et les phases de sulfure formées par ex-solution du laitier durant la solidification ont été identifiées dans les échantillons industriels. Dans le cas du convertisseur Teniente, l’étude présente a montré qu’avec ～4·6 wt-% de Cu dans le laitier, environ 87% du cuivre était présent sous la forme de matte entraînée. Pour le four électrique, la quantité de matte entraînée représente quelque 25% du cuivre lorsque le niveau de cuivre moyen dans les échantillons de laitier du EF était de ～0·74 wt-%Cu.     

Physical chemistry of copper smelting slags and copper losses at the Paipote smelterPart 1 – Thermodynamic modelling

Abstract

Thermodynamic modelling was used in conjunction with the results of a sampling campaign to investigate the liquidus temperature and the copper losses in slag from the Teniente converter (TC) and from the slag cleaning electrical furnace (EF) at the Paipote smelter in Chile. The present paper (Part 1) describes the smelter flow sheet and discusses the results of thermodynamic calculations. The impact of process parameters such as the Fe/SiO₂ ratio, the minor oxide levels in slag (CaO, Al₂O₃, MgO and ZnO), the sulphur dioxide partial pressure p(SO₂), temperature and matte composition were examined with respect to the slag liquidus and copper level in the slags. The operating window of the Paipote TC to produce good slag quality correspond to a vessel temperature between 1200 and 1250°C, and an Fe/SiO₂ ratio in slag between 1·5 and 1·8 when the iron content of the matte is in the range of 3–6 wt-%Fe (or 76·5–73·2 wt-%Cu). Under these conditions, the TC slag (average total copper in slag ～6 wt-%Cu) contains less than 1 wt-%Cu as soluble copper with approximately 90% of total copper in the slag is entrained matte; it is noted that 0–10 wt-% solid magnetite is in suspension in the slag. As regards the EF, over the nominal temperature range from 1200 and 1270°C, the EF slag is fully molten over a wide range of Fe/SiO₂ ratios for slag containing the present level of minor oxides. An operating temperature of about 1225°C and a Fe/SiO₂ ratio in the range 1·4–1·8 are considered good conditions for optimum EF performance. The EF slag typically averages 0·82 wt-%Cu and it was estimated that under present conditions, about 50% of this copper was as soluble copper with the balance as entrained matte.

La modélisation thermodynamique a été utilisée en conjonction avec les résultats d’une campagne d’échantillonnage pour examiner la température de liquidus et les pertes en cuivre dans le laitier du convertisseur de Teniente (TC) et du four électrique (EF) de nettoyage du laitier de la fonderie de Paipote au Chili. Le présent article (1^iere Partie) décrit le schéma du procédé de la fonderie et discute les résultats des calculs thermodynamiques. On a examiné l’impact des paramètres du procédé, comme le rapport Fe/SiO2 dans le laitier, le niveau de CaO, Al2O3, MgO et ZnO dans le laitier, la pression partielle du dioxyde de soufre p(SO2), la température et la composition de la matte, sur le líquidus du laitier et sur le niveau de cuivre soluble dans le laitier. La fenêtre d’opération du TC de Paipote permettant de produire une bonne qualité de laitier correspond à une température entre 1200 et 1250C et à un rapport Fe/SiO2 dans le laitier entre 1·5–1·8 lorsque la teneur en fer de la matte est dans la gamme de 3 à 6% en poids (ou 76·5 à 73·2%Cu). Sous ces conditions, le laitier du TC contenant un cuivre moyen total d’environ 6% contient moins que 1% en poids de Cu sous forme de cuivre soluble. Ce rapport permet de déduire qu’approximativement 90% du cuivre total dans le laitier est sous forme de matte entraînée. On note également qu’entre 0 et 10% en poids de magnétite solide est en suspension dans le laitier, dans les conditions normales d’opération. En ce qui concerne le EF, le laitier est complètement fondu sur une large gamme de rapports de Fe/SiO2 pour une température comprise entre 1200 à 1270°C en considérant les niveaux actuels en CaO, Al2O3, MgO et ZnO dans le laitier. Une température de fonctionnement d’environ 1225C et un rapport Fe/SiO2 dans une gamme de 1·4 à 1·8 sont considérés comme des bonnes conditions pour le rendement optimal du EF. Le laitier du EF contient typiquement une moyenne de 0·82% Cu et l’on a estimé que sous les conditions présentes, environ 50% de ce cuivre se trouvait sous la forme de cuivre soluble, le reste étant sous la forme de matte entraînée.     

METAL RECOVERY FROM KIVCET SLAG

Abstract

Following work on the recovery of metallic values from final fumer slag in lead-zinc refineries [1,2], a study was conducted on the potential to reduce lead and zinc directly from Kivcet slag and potentially obviate the need for slag fuming. Slag from the Kivcet process for lead production is an FeO(Fe₂O₃)-CaO-SiO₂ slag containing roughly 16% zinc, 10% lead and some trace elements such as antimony, arsenic, indium and germanium. Metal recovery from this slag was examined using three methods employed for the fumer slag study: 1) holding at temperature to allow the divalent iron to reduce the metal ions into the gas phase; 2) equilibration with a copper “getter” and 3) electro reduction into a liquid copper cathode using a graphite anode.

The presence of metallic lead and carbon in the Kivcet slag has a significant influence on the recovery of metal from the slag in subsequent processing. Holding of the slag at temperature permitted the recovery of much of the metallic lead as vapour and some small recovery of zinc as fume. When copper was used as a getter, more zinc and lead were recovered. In electrorefining, lead recovery was much higher than that in equilibrating with copper, but there was no obvious enhancement in zinc recovery. Aseries of experiments were also conducted in which Kivcet slag was treated to remove some of the zinc and the lead and then was electrorefined three times. The zinc and lead contents in the final slag decreased to 5.9 and 0.3%, respectively. Although most of the lead was recovered, further refining would still be required to capture the remaining zinc metal.

À la suite du travail de récupération des valeurs métalliques de la scorie finale de “fumer” des raffineries de plomb–zinc, on a effectué une étude sur la possibilité de réduire le plomb et le zinc directement à partir de la scorie de Kivcet et possiblement d’éliminer la réduction des scories. La scorie du procédé de Kivcet pour la production de plomb est une scorie de FeO(Fe₂O₃)-CaO-SiO₂ contenant approximativement 16% de zinc, 10% de plomb et quelques éléments trace comme l’antimoine, l’arsenic, l’indium et le germanium. On a examiné la récupération du métal de cette scorie en utilisant trois méthodes employées dans l’étude de scorie de “fumer”: 1) maintenir à la température pour permettre au fer divalent de réduire les ions de métal dans la phase gazeuse; 2) équilibration avec un “getter” de cuivre et 3) réduction électrolytique dans une cathode de cuivre liquide en utilisant une anode en graphite.

La présence de plomb et de carbone métalliques dans la scorie de Kivcet a une influence importante sur la récupération du métal de la scorie dans un traitement subséquent. Le maintien de la scorie à la température a permis la récupération de presque tout le plomb métallique sous forme de vapeur et d’une petite partie du zinc sous forme de fumée. Lorsque l’on a utilisé le cuivre comme getter, on récupérait une plus grande quantité de zinc et de plomb. Avec l’électroaffinage, la récupération du plomb était beaucoup plus élevée qu’avec la méthode d’équilibration avec le cuivre, mais il n’y avait pas d’amélioration évidente pour la récupération du zinc. On a également effectué une série d’expériences où la scorie de Kivcet était traitée afin d’enlever une partie du zinc et du plomb et était ensuite électroaffinée trois fois. La teneur en zinc et en plomb de la scorie finale était réduite à 5.9 et à 0.3%, respectivement. Bien que presque tout le plomb était récupéré, un raffinage additionnel serait encore nécessaire pour capturer le reste de zinc métallique.     

On the origin of oxide inclusions in ingots made by the electroslag process

Abstract

A study of the reactions leading to production of oxide inclusions in electroslag remelted ingots of pure iron. The material was prepared by 60Hz electroslag melting under argon using slags in the system CaF₂ + CaO + Al₂O₃. The possible chemical paths open to the system were calculated using available thermochemical data, but none of these paths could account for the experimental analyses. It is suggested that a small amount of rectification, arising in asymmetric electrochemical reactions, would lead to the observed ingot compositions. Examination of the ingot inclusion compositions suggests that the oxide particles are precipitated within the freezing metal interface. Since both the reaction path and the inclusion precipitation mechanism are inherent in the electroslag method, it is concluded that the small oxide particles are a necessary result of electro slag melting.

Résumé

Les auteurs ont étudié la formation d'inclusions d'oxides dans des lingots de fer pour être refondus sous laitier électroconducteurs. Ces lingots ont été préparés par fusion sous laitier électroconducteur à 60 Hz sous argon et en utilisant des laitiers du système CaF₂ + CaO + Al₂O₃. Les différentes voies chimiques possibles pour Ie système ont été calculées en utilisant les données thermodynamiques disponibles mais aucune ne ref1était les résultats. Il est alors suggéré qu'une faible rectification se produisant par des réactions électrochimiques assymétriques, conduise à la composition observée. La composition des inclusions permet de penser que les oxydes sont précipités à l'interface de solidification. Comme le chemin de la réaction et le mécanisme de précipitation des inclusions sont inhérents a cette méthode de fusion, il appert que les petites particules d'oxyde sont necesairement produites lors de la fusion sous laitier électroconducteur.     

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.     

The Kinetics of Slag-Metal Reactions

Abstract

The experimental techniques which are available for the study of the kinetics of slag-metal reactions are considered. The possible rate controlling mechanisms are briefly reviewed. An analysis is made of the various studies of slag-metal reaction kinetics and attempts are made to correlate the results of different investigations. Of particular interest in this context are the studies of silica reduction by carbon in iron and sulphur transfer studies between slag and metal. Studies of manganese, phosphorus and chromium transfer in ferrous systems are briefly reviewed as well as the reduction of ferrous oxide from slags.

Résumé

Dans cet article, les méthodes expérimentales disponibles pour l'etude de la cinétique des réactions métal-scorie sont exposées. Les mécanismes possibles pouvant contrôler les taux de réaction sont briévement revus. Une analyse des diverses études sur la cinétique des réactions métal-scorie est faite. De plus, des corrélations entre les résultats des différentes études ont tente d'etre obtenues. Un intérét dans ce domaine est l'etude de la réduction de la silice par le carbone present dans le fer, ainsi que les études du transfert du soufre entre le métal et la scorie. Les études sur le transfert du manganése, du phosphore et du chrome en présence de fer sont briévement revus ainsi que la réduction de l'oxyde de fer contenu dans la scorie.     

Mineral Wool Production from Copper Reverberatory Slag

Abstract

Rapidly increasing energy costs and the introduction of government assistance programmes have stimulated consumer demand for home insulation products in Canada; in recent years, Canadian mineral wool production has increased at an average annual rate of about 20 %. Based on a preliminary economic assessment, which indicated that the manufacture of mineral wool insulation from copper reverberatory furnace slag could be viable ifan acceptable product could be produced using a high percentage of the copper slag in the charge, full-scale tests were conducted at the plant of a major mineral wool producer. The tests were carried out on blowing wool lines equipped with cupola melting furnaces, using charges containing variable amounts of copper reverberatory furnace slag from the Noranda Smelter.

The technology of mineral wool production is reviewed, the plant tests are described, and the test results are presented. In all tests, a product fibre with satisfactory physical properties (fibre length, diameter and strength) was obtained. However, the insulating quality of the product, as measured by a standard blowing test with a commercial mineral wool applicator machine, was found to decrease with increasing FeO content in the wool. In practice, this would limit the percentage of copper slag in the charge to under 40%, under which condition the manufacture of mineral wool insulation from copper slag was found to be economically unattractive. The results underline the importance of evaluating mineral wool produced from alternative raw materials against industry quality control standards.

Résumé

L'accroissement rapide des coûts d'énergie, ainsi que la mise en route de divers programmes d'aide gouvernementale, ont stimulé les demandes du consommateur envers les produits d'isolation des maisons, au Canada. Ces derniéres années, la production canadienne de laine mineralé a augmenté son taux annuel d'environ 20%. Une évaluation économique préliminaire indiquait que la fabrication de laine minérale, à partir de scories de cuivre provenant d'un four à réverbère était concevable, à condition que nous puissions produire un matériau acceptable employant un pourcentage élevé de scorie de cuivre dans la charge. Des tests en usine ont été effectués chez un important manufacturier de laine minérale. Les tests de souffiage de fils de laine en utilisant des cubilots de fusion ont été effectués en utilisant différentes quantites de scories de cuivre provenant du four a reverbere de l'usine de smeltage de Noranda. Une revue de la technologie se rapportant à la production de la laine minérale est faite, les tests en usine sont décrits et les résultats des essais sont présentés. Pour chaque test, une fibre possédant des propriétés physiques satisfaisantes (longueur de la fibre, diamètre et résistance) a été obtenue. Toutefois, des tests standards ont indique que la qualité isolante du produit décroît avec l'augmentation de FeO dans la laine. En pratique, ceci limite l'emploi de scorie de cuivre dans la charge, à un pourcentage inférieur à 40%. Sous cette condition, la fabrication de laine minérale s'avère économiquement non attrayante. Les résultats soulignent l'importance d'évaluer les laines minérals produites à partir de differentes matières brutes, en fonction du contrôle de la qualité et des standards industriels.     

Dissolution kinetics of chromium ore in slag system for stainless steelmaking

Abstract

To reveal the smelting reduction mechanism of chromium ore for producing stainless steel in converter, the dissolution behaviour of chromium ore in CaO–SiO₂–MgO–Al₂O₃ slag system was studied by laboratory experiments, and the effects of different temperatures and slag compositions on the dissolution rate of chromium ore in slag were investigated. A kinetic model for the dissolution process of chromium ore was developed for the first time. The dissolution process of chromium ore is controlled by the surface dissolution reaction under the conditions of the present experiments. The effects of temperature, slag composition and particle size of chromium ore on the dissolution rate of chromium ore are relatively great. The chromium ore sand is suggested to be used as raw material in the smelting reduction converter.

Afin de révéler le mécanisme de réduction de la fusion du minerai de chrome pour la production d'acier inoxydable dans un convertisseur, on a étudié le comportement de dissolution du minerai de chrome dans le système de laitier CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃, par des expériences en laboratoire. On a examiné l'effet des différentes températures et compositions de laitier sur la vitesse de dissolution du minerai de chrome dans le laitier. Pour la première fois, on a développé un modèle cinétique du procédé de dissolution du minerai de chrome. Le procédé de dissolution du minerai de chrome est contrôlé par la réaction de dissolution à la surface sous les conditions des présentes expériences. Les effets de la température, de la composition du laitier et de la taille de particule du minerai de chrome sur la vitesse de dissolution du minerai de chrome sont relativement importants. On suggère que le sable de minerai de chrome soit utilisé comme matériau brut dans le convertisseur de réduction de fusion.     

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.     

COPPER REDUCTION IN ANODE FURNACES WITH NATURAL GAS

Abstract

Liquid gas was used for the reduction of copper in anode furnaces in the “Sarcheshmeh Copper Complex (SCC) of Iran”. New legislation forced the operation to switch from liquid to natural gas for its anode furnaces. Theoretical calculations (heat and mass balance) done by HSC software showed that the flow rate of natural gas had to be increased about 2.9 times compared to liquid gas in order to have the same reduction power and more heat is needed.

In laboratory scale reducing gas was injected into the top of the sample in the furnace. For the first 7 minutes, the process was diffusion controlled and afterward it might be considered as a mixed controlled process. The results of experiments showed that for the same flow rate of reducing gas, the rate of deoxidation of molten copper is almost the same for liquid gas or natural gas, and for combinations of natural and liquid gas. Based on the experimental results, liquid gas was replaced by natural gas in the SCC. The gas consumption efficiency of natural gas was better than for liquid gas. There was good agreement among laboratory results, heat and mass balance calculations and the industrial experience in Sarcheshmeh.

On utilisait du gaz liquéfié pour la réduction du cuivre dans les fours à anode au “Complexe de Cuivre de Sarcheshmeh (SCC) en Iran”. Une nouvelle législation a forcé l’entreprise à passer du gaz liquéfié au gaz naturel pour ses fours à anode. Les calculs théoriques (bilan thermique et massique) effectués au moyen du logiciel HSC ont montré que l’on devait augmenter d’environ 2.9 fois le débit de gaz naturel par rapport au gaz liquéfié pour obtenir le même pouvoir de réduction et que l’on devait fournir plus de chaleur.

À l’échelle du laboratoire, le gaz réducteur était injecté en haut de l’échantillon dans le four. Pendant les 7 premières minutes, le procédé était contrôlé par diffusion et, par la suite, on pourrait le considérer comme étant un procédé à contrôle mixte. Les résultats des expériences ont montré que pour le même débit de gaz réducteur, le taux de désoxydation du cuivre fondu était presque le même pour le gaz liquéfié ou pour le gaz naturel ainsi que pour des combinaisons de gaz naturel et liquéfié. En se basant sur les résultats expérimentaux, on a remplacé le gaz liquéfié par le gaz naturel à SCC. Le rendement de la consommation de gaz était meilleur pour le gaz naturel que pour le gaz liquéfié. Il y avait un bon accord entre les résultats du laboratoire, les calculs de bilan thermique et massique et l’expérience industrielle à Sarcheshmeh.     

LIX-65N and Dowfax 2AO interaction in copper solvent extraction and electrolysis

Abstract

The acid mist generated during copper electrowinning can be effectively suppressed by a froth covering the electrolyte surface stabilized by the addition of the sulphonic acid, Dowfax 2AO. If the spent electrolyte is then used to strip copper from the loaded solvent extraction reagent LIX65N, these two organics and any degradation products will be mixed. In order to determine whether these organics are compatible, a small-scale continuous solvent extraction/electrowinning system was therefore studied for an extended period.

Successive passes of organic around the circuit resulted in decomposition of the LPX65N such that its ability to extract copper was greatly reduced. After seven hundred organic phases, the phase separation in both the loading and stripping stages seriously deteriorated and even with the addition of impractical amounts of Dowfax 2AO it was impossible to maintain the froth over the electrowinning cell. Thus, it is clear that Dowfax 2AO cannot be allowed to contaminate a copper solvent extraction system which employs LIX65N. It has also been proved that two other organic acids, dinonylnaphthalene sulphonic acid and di(2-ethylhexyl)phosphoric acid, also cause decomposition of LIX65N.

Résumé

La bruine d'acide se dégageant à la surface de la solution pendant l' électrolyse du cuivre peut être éliminé par une mousse stabilisée par l'acide sulfonique, Dowfax 2AO.

Si, à la suite, l' électrolyte epuise sert a extraire le cuivre d'une solution de LIX-65N, les deux composés organiques et leurs produits de décomposition sont mélangés. Afin de déterminer la compatibilité de ces substances, on a étudié à échelle réduite, en système continu pendant une longue période, la combinaison extraction par solvant-électrodéposition du cuivre.

Les retours répétés du milieu organique dans le circuit aboutissent à une décomposition du LIX-65N à tel point que sa capacité d'extraire est fortement réduite. Aussi après sept cents contacts avec le milieu organique, les separations des phases à l'extraction et au dégarnissage sont rendues très difficiles. De plus, il est impossible d'obtenir une mousse à la surface de l' électrolyte même en employant des quantités exagérées de Dowfax 2AO. Il faut conclure que ce dernier ne doit pas être employé dans un circuit d'extraction du cuivre par le LIX-65N.

Les mêmes phenomenes de décomposition sont constatés avec deux autres acides organiques: l'acide dinonyle-naphtholène sulfonique et l'acide di(2-ethylhexyl) phosphorique.     

Diffusion of copper in liquid fayalite slags

Abstract

A modified version of the capillary reservoir technique was used to determine the diffusivity of Cu in silica-saturated fayalite slag. Values of the diffusion coefficient increased from 1.0% × 10^?5 to 7.0 × 10^?5 cm²/sec over the temp. range 1150–1300°C. From a series of diffusion experiments conducted at constant copper activity, the calculated activation energy for diffusion was 39,000 ± 12,000 cal/mole. Under isothermal conditions, the diffusion coefficient was found to be independent of the , oxygen partial pressure over the slag phase. The range of oxygen partial pressures investigated was from 10^?8 to 10^?12 atm.

Résumé

Par une version modifyée de la technique du réservoir capillaire les auteurs ont déterminé la diffusion du cuivre dans des laitiers de fayalite saturé en silice. Dans l'intervalle de tempérapture de 1150 à 1300°C, le coefficient de diffusion augmente de 1.0 × 10^?5 à 7.0 × 10^?5 cm²/sec. L' énergie d'activation pour la diffusion, calculée à; partir d'une série d'expériences faites à une activité du cuivre constante, est de 39,000 ± 12,000 cal/mole. Dans des conditions isothermes il a été trouvé que le coefficient de diffusion était indépendant de la pression partielle d'oxygene au dessus du laitier. Le domaine des pressions partielles d'oxygene étudié était de 10^?8 à 10^?12 atm.     

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

Abstract

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

Résumé

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

Atomizing molten metals — a review

Abstract

Data from the literature were used to construct activity diagrams for the systems Mn–Fe–C, MnO–CaO–SiO₂ and CaO–Al₂O₃–SiO₂ with 10% MnO. Assuming that the reduction temperature is close to slag melting point, the MnO content required to obtain a 75% Mn alloy can be found. One can also calculate the Si content corresponding to the slag composition. Fixing the allowable %Si it is found that the slag will contain more than 25% MnO in the MnO–CaO–SiO₂ system. The effect of CO pressure is minor. If it is practical to add Al₂O₃ to the slag, its melting point can be lowered sufficiently to obtain slags with 10% MnO in the CaO–Al₂O₃–SiO₂ system while keeping Si in the metal low.

Résumé

Des données de la littérature ont été employées pour construire les diagrammes d'activité des systèmes Mn–Fe–C, MnO–CaO–SiO₂, et CaO–Al₂O₃–SiO₂ it 10% de MnO. En admettant que la température de la zone de réduction est proche de celle de fusion du laitier, on trouve la teneur en MnO nécessaire pour obtenir l'alliage à 75% de Mn. La quantité de Si réduit a également été déterminée. Le calcul montre qu'en fixant la teneur finale silicium à moins de 0.5% la teneur en MnO doit être supérieure à 25% . dans les laitiers MnO–CaO–SiO₂. La pression de CO n'a guere d'effet. S'il est pratique d'ajouter du Al₂O₃ au laitier pour en abaisser le point de fusion on peut obtenir avec un laiter it 10 % de MnO un alliage pour lequelle Si ne dépasse pas les bornes permises.     

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.     

Pneumatic Steelmaking

Abstract

A brief historical review of pneumatic steelmaking is presented with emphasis on top and bottom blown oxygen processes. Modern steelmaking methods are described, including bottom injection techniques. The fundamentals of gas jet behavior are outlined, including the importance of the physics and mechanics of the jet and the interrelationship with process chemistry. Refining mechanisms involving metal, slag and gases are detailed for current and proposed pneumatic steelmaking processes.

Résumé

Un bref historique de l' élaboration de l'acier par souffiage est présenté en insistant plus particulièrement sur les convertisseurs d'oxygène à souffiage par le haut et par le bas. Les méthodes modernes d' élaboration de l'acier incluant les techniques d'injection par le fond, sont décrits. Le comportement fondamental du jet gazeux est abordé, ainsi que l'importance de la physique, de la mécanique du jet et des interactions avec la chimie du procédé. Enfin les mécanismes d'affinage faisant intervenir le métal, le laitier et les gazs sont détaillés pour les procédés d' élaboration de l'acier par souffiage.