THE TRANSITION FROM FREE STREAM FLOW TO DRIPPING IN DRAINING VESSELS

Abstract

In numerous metals processing operations, molten metal is transferred between furnace and ladle or ladle and tundish. In other operations such as the atomization of melts, the stream is directed from a nozzle into an atomizing chamber. The control of melt flow rate, the generation of a well defined stream and the transition from free stream flow to dripping are useful conditions to quantify. A model is proposed in this work to calculate the height of a fluid in a vessel where the stream flowing from an orifice at the bottom of the vessel will revert to dripping. The model accounts for fluid properties including density, viscosity and surface tension. Model results clearly show that melt viscosity is a critical variable in determining the melt height at which flow reverts from a continuous stream to dripping.

Dans de nombreuses opérations de traitement des métaux, le métal fondu est transféré entre le four et la poche de coulée ou entre la poche de coulée et le distributeur. Pour d’autres opérations comme l’atomisation de métaux fondus, le flot est dirigé d’un injecteur vers une chambre d’atomisation. Le contrôle du débit de métal fondu, la production d’un flot bien défini et la transition d’un écoulement de flot libre en un égouttement sont des conditions utiles à quantifier. Dans ce travail, on propose un modèle pour calculer la hauteur d’un fluide dans une cuve où le flot s’écoulant d’un orifice au bas de la cuve va se changer en un égouttement. Le modèle tient compte des propriétés du fluide, incluant la densité, la viscosité et la tension superficielle. Les résultats du modèle montrent clairement que la viscosité du métal fondu est une variable critique dans la détermination de la hauteur de métal fondu à laquelle l’écoulement se change d’un flot continu en un égouttement.     

Modeling the Influence of Fluid Flow on the Development of Porosity and Microstructure in Castings

Abstract

Fluid flow influences the development of porosity and microstructure in castings at several levels. Fluid flow affects the temperature distribution, and thus modifies the progression of solidification. Forced convection during mold filling may give way to thermal or solutal natural convection. Shrinkage may be fed, and in the final stages it occurs through interdendritic penetration. Macrosegregation is caused by fluid movement when the metal is partially solidified. Nucleation of the solid phase is affected by fragmentation of the dendrite branches and their transport to new sites where growth proceeds. A complete model of the solidification of castings must include all of these effects. This paper reviews programs that successfully compute each of these effects. Progress is being made on their integration into comprehensive modeling systems for foundry castings. It is important that work continue on modeling at both the macroscale and micro-scale. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

L'écoulement de fluide influence le développement de porosité et de la microstructure des moulages, à differents niveaux. L'écoulement de fluide affecte la distribution de température et modi fie ainsi la progression de la solidification. La convection forcée lors du remplissage de moule peut conduire à une convection naturelle thermale ou de soluté. Le retrait peut etre compense et, dans les etapes finales, il se produit par penétration interdendritique. La macro ségrégation est causee par le mouvement de fluide quand le metal est partiellement solidifie. La nucleation de la phase solide est affectée par la fragentation des branches de dendrites et par leur transport vers de nouveaux sites ou la croissance se poursuit. Pour etre complet, un modele de solidification de moulage doit inclure tous ces effets. Cet article revise les programmes qui calculent effectivement chacun de ces effets. On fait du progres dans leur integration en systemes detailles de modelisation de moulages de fonderie. Il est important de continuer le travail de modelisation, tant à l'echelle macroscopique que microscopique. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Modelling of mixing,mass transfer and phase distribution in a Peirce–Smith converter model

Abstract

This study presents a numerical and physical modelling study of flow pattern, mixing, solid–liquid mass transfer and slag matte phase distribution in an industrial Peirce–Smith converter (PSC) slice model. The two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) numerical simulations of the three phase system were carried out using volume of fluid (VOF) and realisable k?? (RKE) turbulence model to account for the multiphase and turbulence nature of the flow respectively. These models were implemented using the commercial computational fluid dynamics (CFD) numerical code FLUENT. In physical simulations, water, kerosene, air and sintered benzoic acid compacts were used to simulate matte, slag, injected gas and solid additions into PSC. Both numerical and physical simulations were able to predict, in agreement, the mixing and dispersion characteristics of the system in relation to different blowing conditions employed in this study. Measurement of dimensionless turbulence characteristic values conclusively indicated that fluid flow in PSC is stratified.

Ce document présente une étude de modélisation numérique et physique de la configuration de l’écoulement, du mélangeage, du transfert de masse solide-liquide et de la distribution de phase scorie-matte dans un modèle en tranches de convertisseur industriel Peirce–Smith (PSC). On a effectué les simulations numériques 2D et 3D du système à trois phases en utilisant le modèle du Volume de Fluide (VOF) et de la turbulence réalisable (RKE) pour tenir compte des phases multiples et de la nature turbulente de l’écoulement, respectivement. On a exécuté ces modèles en utilisant le code numérique commercial de la dynamique numérique des fluides (CFD) FLUENT. Dans les simulations physiques, on a utilisé de l’eau, du kérosène, de l’air et des compacts frittés d’acide benzoïque pour la simulation de la matte, de la scorie, du gaz d’injection et des additions de solide dans le PSC. Les simulations numériques et physiques étaient toutes deux capables de prédire, en accord, les caractéristiques de mélangeage et de dispersion du système en relation avec les différentes conditions de soufflage utilisées dans cette étude. La mesure des valeurs caractéristiques sans dimension de la turbulence indiquait décisivement que l’écoulement du fluide dans le PSC était stratifié.     

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.     

Aluminium scrap melting under different liquid aluminium flow conditions: part-I: single phase flow

The melting characteristics of aluminium (Al) scrap were studied in a pilot-scale revolving liquid metal tank (RLMT) which sits in a resistance furnace. Commercially pure Al of about 39?kg was melted in the RLMT. Experiments were carried out in a stagnant and in a revolving Al bath at different liquid metal temperatures and speeds. Cylindrical Al 6061 alloy samples were used in this experimental work. Their melting time inside the Al bath was recorded with a specially designed electrical circuit. Upon immersion of a cold cylindrical sample into liquid Al, a shell solidifies around the specimen and subsequently melts back. The time during which the shell exists around the cylinder is called shell period. The free melting period commences when the shell period ends. The thermal contact resistance (TCR) at the Al shell/cylinder interface affects how long the shell lasts. A methodology was developed to estimate this TCR. The convective heat flux from the Al bath to the cylindrical specimen influences the shell and free melting periods, and is a function of liquid Al temperature and speed. The Part I of this research work presents a baseline of Al melting measurements under single phase flow conditions, that will be compared against two phase flow conditions in Part II of this research.

On a étudié les caractéristiques de fusion de rebut d’aluminium (Al) à l’échelle pilote dans une citerne rotative de métal liquide (RLMT), située dans un four à résistance. On a fait fondre dans la RLMT environ 39?kg d’Al commercialement pur. On a effectué les expériences dans un bain stagnant ou dans un bain rotatif d’Al à diverses températures et à diverses vitesses du métal liquide. Dans ce travail expérimental, on a utilisé des échantillons cylindriques d’alliage d’Al 6061. On a enregistré leur temps de fusion dans le bain d’Al au moyen d’un circuit électrique spécialement conçu. Au moment de l’immersion d’un échantillon cylindrique froid dans l’Al liquide, une coquille se solidifie autour de l’échantillon et subséquemment, fond à son tour. La période durant laquelle la coquille existe autour du cylindre s'appelle la période de coquille. La période de fonte libre commence quand la période de coquille se termine. La résistance du contact thermique à l’interface coquille et cylindre d’Al affecte la durée de vie de la coquille. On a développé une méthodologie pour estimer cette résistance du contact thermique. Le flux de chaleur par convection du bain d’Al à l’échantillon cylindrique influence les périodes de coquille et de fonte libre, et il est une fonction de la température et de la vitesse de l’Al liquide. La première partie de ce travail de recherche présente une ligne de base des mesures de fusion de l’Al sous des conditions d’écoulement monophasé, qui sera comparée à des conditions d’écoulement biphasé dans la deuxième partie.     

Particle Discrimination in Water Based Limca (Liquid Metal Cleanliness Analyzer) System

Abstract

A mathematical model has been developed to predict the motion of particles in a water based version of the LiMCA system — APS II (Aqueous Particle Sensor) system. The fluid field entering the electric sensing zone (ESZ) was obtained by solving the Navier-Stokes equations and the trajectories of particles by equations for the motion of particles. The results showed that the motions of the particles inside the parabolic shaped orifice are affected by particle density and size. Entrained micro-bubbles lead the fluid flow, travelling faster than latex micro-spheres, which are slightly denser than the fluid and lag only slightly behind the flow. Silica particles, which are much denser than the fluid, lag significantly behind the flow, accelerating more slowly than latex micro-spheres and much more slowly than bubbles. The relative velocities between the entrained particles and the inflowing water decrease with decreasing particle size. The experimental results showed that 1) larger particles have longer transit times than do smaller ones, 2) bubbles have shorter transit times than do latex spheres and much shorter than do silica particles of the same size and 3) differences in transit times are more pronounced for larger particles in keeping with theoretical predictions. The results prove that inclusion discrimination on the basis of density difference is realizable in water based LiMCA systems.

On a développé un modèle mathématique pour prédire le mouvement des particules dans une version à base d’eau du système “LiMCA” (analyseur de la ‘propreté’ du métal liquide)—système APS II (détecteur aqueux pour particules). On a obtenu le champ fluide entrant la zone de détection électrique (ESZ) en résolvant les équations de Navier-Stokes; on a obtenu la trajectoire des particules par les équations du mouvement des particules. Les résultats montrent que le mouvement des particules à l’intérieur de l’orifice parabolique est affecté par la densité et la taille des particules. Les micro-bulles entraînées conduisent l’écoulement de fluide, voyageant plus vite que les microsphères de latex, qui sont légèrement plus denses que le fluide et ne sont que très légèrement en retard derrière l’écoulement. Les particules de silica, qui sont beaucoup plus denses que le fluide, sont significativement en retard derrière l’écoulement, accélérant plus lentement que les micro-sphères de latex et beaucoup plus lentement que les bulles. La vélocité relative entre les particules entraînées et l’eau d’entrée diminue avec une diminution de la taille des particules. Les résultats expérimentaux montrent que 1) les plus grosses particules ont une durée de passage plus longue que les petites particules, 2) les bulles ont une durée de passage plus courte que les sphères de latex et beaucoup plus courte que les particules de silica de la même taille. 3) Les différences de durée de passage sont plus prononcées pour les plus grosses particules, en accord avec la théorie. Les résultats prouvent que la discrimination d’inclusion sur la base de la différence de densité est réalisable avec un système “LiMCA” à base d’eau.     

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.     

THE ROLE OF REACTIONS BETWEEN CRUCIBLE AND MELT DURING REFINING OF PLATINUM BY VACUUM INDUCTION MELTING

Abstract

Secondary platinum and Pt alloys can be purified by the selective evaporation of undesirable elements in a vacuum induction melting process. Investigations were made concerning reactions among four different crucible materials and the melt of pure platinum. Relations between the vacuum evaporation of copper, iron, antimony and aluminum additions in a platinum melt and the used crucible were also studied. Minimum enrichments and reactions between the melt and the crucible material are the aim for industrial purposes. The requirements concerning the iron concentration in the cast and resulting devices are especially high. Experimental results show that there can be a marked reaction between the crucibles and the pure Pt melt depending on time, applied atmosphere and the crucible material used. Refining experiments showed that it is possible to reduce the concentration of some elements clearly below 10 ppm, although the complete removal of iron is almost impossible. The refining behaviour can generally be attributed to the nominal composition of the used crucibles, its reactions with the melt and the applied atmosphere.

On peut purifier le platine secondaire et les alliages au Pt par évaporation sélective des éléments indésirables lors d’une opération de fusion par induction sous vide. On a effectué des recherches concernant les réactions entre quatre matériaux différents de creuset et le bain de platine pur. En outre, on a étudié les relations entre l’évaporation sous vide des additions de cuivre, de fer, d’antimoine et d’aluminium dans un bain de platine et le creuset utilisé. Pour fins industrielles, on vise des enrichissements et réactions minimales entre le bain et le matériau du creuset. En particulier, les exigences concernant la concentration du fer dans la coulée et les objets qui en résultent sont élevées. Les résultats expérimentaux montrent qu’il peut y avoir une réaction notable entre les creusets et le bain de Pt pur, dépendant du temps, de l’atmosphère appliquée et du matériau utilisé pour le creuset. Des expériences d’affinage ont montré qu’il est possible de réduire la concentration de certains éléments nettement au-dessous de 10 ppm, bien que l’enlèvement complet du fer est presque impossible. On peut généralement attribuer le comportement d’affinage à la composition nominale des creusets utilisés, aux réactions avec le bain et à l’atmosphère appliquée.     

The influence of alkaline salt bath quenching on the microstructure and mechanical properties of AISI D2 steel

In this work, the microstructure and mechanical properties of AISI D2 tool steel is compared after air cooling and quenching in alkaline salt bath (60% KOH and 40% NaOH). The results have shown that the hardness of the samples quenched in alkaline salt bath with different temperatures followed by tempering at 540°C was higher than the hardness of air cooled sample. The maximum hardness from surface to centre of the samples was achieved after quenching in salt bath at 220°C. The microstructure and consequently the mechanical properties were altered after quenching in different media. It is also shown that hardening of D2 steel in alkaline salt bath can result in higher strength values than air cooling while there was no significant change in the impact energy of the samples.

Dans ce travail, on compare la microstructure et les propriétés mécaniques de l’acier à outils AISI D2 après refroidissement à l’air ou après trempe dans un bain de sel alcalin (60% KOH et 40% NaOH). Les résultats ont montré que la dureté des échantillons trempés dans le bain de sel alcalin à différentes températures suivi d’un revenu à 540°C était plus élevée que la dureté de l’échantillon refroidi à l’air. On a obtenu la dureté maximale, depuis la surface jusqu’au centre des échantillons, par trempe dans le bain de sel à 220°C. La microstructure et, par conséquent, les propriétés mécaniques étaient altérées après la trempe dans différents médias. On montre également que l’endurcissement de l’acier D2 dans un bain de sel alcalin peut résulter en des valeurs plus élevées de résistance à la traction que lors du refroidissement à l’air alors qu’il n’y avait pas de changement important de l’énergie de rupture des échantillons.     

Solid state and smelting reduction of Panzhihua ilmenite concentrate with coke

Abstract

Solid state and smelting reduction of ilmenite is an important process of upgrading ilmenite to high titania feedstock. In this study, an ilmenite concentrate supplied by Panzhihua Iron and Steel (Group) Co. was first reduced at solid state in an electric resistance furnace, followed by smelting reduction in an induction furnace. The effects of reducing agent (carbon) amount on the chemical composition of the solid state reduction sample and the titania slag reduced from them, were analysed. It was found that the metallisation of iron in the solid reduction samples and the grade of titania slag generally increased with increasing carbon amount from 8 to 12%, and then remained constant when the carbon amount was increased above 12%. The content of metallic iron in the titania slag increased with increasing carbon amount, because the slag viscosity and liquidus temperature increased with decreasing FeO content. It was also known that the content of Ti₂O₃ increased with decreasing the content of FeO in the slag. Some metallic iron particles were found in the high titania slag samples. The liquidus lines and viscosity of the slag were calculated using FactSage to explain the experimental results.

La réduction à l’état solide et par fusion de l’ilménite est un procédé important de valorisation de l’ilménite pour charge d’alimentation à haute teneur en dioxyde de titane. Dans cette étude, un concentré d’ilménite fourni par le groupe Panzhihua Iron and Steel Co. a d’abord été réduit à l’état solide dans un four électrique à résistances, suivi par la réduction par fusion dans un four à induction. On a analysé les effets de la quantité d’agent réducteur (carbone) sur la composition chimique de l’échantillon de réduction à l’état solide et de la scorie de dioxyde de titane réduit à partir de lui. On a trouvé que la métallisation du fer dans les échantillons de réduction solide et la qualité de la scorie de dioxyde de titane augmentaient généralement avec une augmentation de la quantité de carbone de 8 à 12%, et ensuite restaient constantes lorsqu’on augmentait la quantité de carbone au-delà de 12%. La teneur en fer métallique dans la scorie de dioxyde de titane augmentait avec l’augmentation de la quantité de carbone, parce que la viscosité de la scorie et la température du liquidus augmentaient avec une diminution de la teneur en FeO. On sait également que la teneur en Ti₂O₃ augmentait avec une diminution de la teneur en FeO dans la scorie. On a trouvé quelques particules de fer métallique dans les échantillons de scorie à haute teneur en dioxyde de titane. On a calculé les lignes de liquidus et la viscosité de la scorie en utilisant FactSage pour expliquer les résultats expérimentaux.     

Numerical Simulation of the Outokumpu Flash Smelting Furnace Reaction Shaft

Abstract

A mathematical model for simulating oxidation reactions of chalcopyrite particles together with momentum, heat and mass transfer between particle and gas phase in a flash smelting furnace reaction shaft is presented. In simulation, the equations governing the gas flow are solved numerically with a commercial fluid flow package, Phoenics. The particle phase is introduced into the gas flow by a Particle Source In Cell (PSIC)-technique. The chemical reactions of concentrate particles are assumed to happen at two sharp interfaces, and the shrinking core model is applied to describe the mass transfer of chemical species through the reaction product layer. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

On présenté un modèle mathématique de simulation des réactions d'oxydation de particules de chalcopyrite ainsi que du transfert de mouvement, de chaleur et de masse entre particule etphase gazeuse, dans une cuve de réaction d'un four de fusion a gaz chauds. Lors de la simulation, on resout numériquement les équations qui gouvernent l'écoulement de fluide. La phase-particule est introduite dans l'écoulement de gaz par une technique de “Source de particule dans la cellule” (Particle Source In Cell-PSIC). On assume que les réactions chimiques de particules de concentre se produisent à deux interfaces bien definies et on applique le modèle de noyau retrecissant pour decrire le transfert de masse des éspeces chimiques par l'intermediaire de la couche de produit de réaction. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Behaviours of supersonic oxygen jet injected from four-hole lance during top-blown converter steelmaking process

The top-blown oxygen jet behaviours at different stagnation temperatures in converter steelmaking process were investigated by using numerical simulation technique. The multiphase flow in top-blown converter with four-hole lance was computed. The results show that with the increasing stagnation temperature of the supersonic oxygen jet, the velocity and static temperature of the jet increase, while the potential core length of the jet shortens. The penetrability of the oxygen jet injected from a four-hole top-blown lance is improved with the increasing stagnation temperature of the jet from 300 to 900 K, while the penetrability declines with the further increase in the stagnation temperature from 900 to 1200 K. Although the penetration depth and impact area corresponding to the oxygen jet with stagnation temperature of 1200 K are smaller than those of 900 K, the horizontal velocity of liquid steel increases with the increasing stagnation temperature due to the increase in the intersection and interference of jet flow, which further enhances the flow of the liquid phase at the interface of gas and liquid and promotes the mixing conditions in converter bath.

On a examiné les comportements d’un jet d’oxygène à soufflage par le haut à différentes températures d’équilibre lors du procédé de fabrication de l’acier par convertisseur, en utilisant une technique de simulation numérique. On a calculé l’écoulement polyphasique dans le convertisseur à soufflage par le haut avec lance à quatre trous. Les résultats montrent qu’avec l’augmentation de la température d’équilibre du jet d’oxygène supersonique, la température statique et la vélocité du jet augmentent, alors que la longueur potentielle du noyau du jet est raccourcie. La capacité de pénétration du jet d’oxygène injecté s’améliore avec l’augmentation de la température d’équilibre du jet de 300 à 900 K, mais elle s’abaisse avec une augmentation additionnelle de la température d’équilibre de 900 à 1200 K. Bien que la profondeur de pénétration et la superficie de l’impact correspondant au jet d’oxygène avec température d’équilibre à 1200 K soient plus petites qu’à 900 K, la vélocité horizontale de l’acier liquide augmente avec une augmentation de la température d’équilibre. Cela est dû à l’augmentation de l’intersection et à l’interférence de l’écoulement du jet, ce qui améliore davantage l’écoulement de la phase liquide à l’interface gaz et liquide et encourage les conditions de mélange dans le bain du convertisseur.     

The Influence of Thermofluids Phenomena in Gas Tungsten ARC Welds in High and Low Thermal Conductivity Metals

Abstract

A comprehensive thermofluids numerical model of stationary gas tungsten arc (GTA) welding has been developed and used to examine the effects of thermofluids phenomena on the temperatures and flow velocities in the weld pool and their impact on the resultant weld dimensions for welds produced in high vs low thermal conductivity metals. A dynamic grid re-mapping technique was used to map a block of finite elements into the liquid weld pool to permit use of a k-ε turbulence model in the liquid. Simulations for low conductivity AISI 304 stainless steel show that good correlation with experimental data was only possible if the effects of fluid flow and turbulent mixing in the weld pool were modeled accurately. Conversely, simulations in higher conductivity metals, 6061 and 1100 aluminum, showed that while the average flow velocities and level of turbulence were higher, their effect on the final temperatures and weld pool dimensions were less significant. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

On a développé et utilisé un modèle numérique détaillé de thermofluides du soudage stationnaire TIG (GTA) afin d'examiner les effets des phénomènes des thermofluides sur les températures et les vitesses d'écoulement dans le bain de fusion. On a aussi examiné leur impact sur les dimensions de la soudure qui en résulte pour des soudures produites avec des métaux à haute conductivité thermique par rapport a des metaux a basse conductivite. On a utilisé une technique dynamique de re-cadrage de grille pour délimiter un bloc d'éléments finis dans le bain de fusion liquide afin de permettre l'utilisation d'un modèle de turbulence k-ε dans le liquide. Les simulations avec AISI 304, un acier inoxydable à basse conductivité, montrent qu'une bonne correlation avec les données expérimentales est possible seulement si les effets de l'écoulement du fluide et de l'agitation turbulente dans le bain de fusion sont modèlises avec precision. Inversement, les simulations de métaux à conductivité plus éleveé, aluminium 6061 et 1100, ont montré qu'alors que les vitesses moyennes d'écoulement et le niveau de turbulence etaient plus élevés, leur effet sur les températures finales et sur les dimensions du bain de fusion était moins important. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

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.     

Evolution of primary α-Al particles during isothermal transformation of rheocast semi solid metal billets of A356 Al–Si alloy

Semi solid metal (SSM) processing is a relatively new technology for metal forming, different from the conventional metal shaping technologies that use either solid or liquid metals as the starting material. Semi solid metal processing deals with semi solid slurries, in which non-dendritic solid particles are dispersed in a liquid matrix. The solid volume fraction could vary between 0·1–0·5 with apparent viscosity close to that of liquid state. The slurry flows easily under pressure and makes complicated shapes with high degree of die filling and integrity. There are different ways to prepare SSM slurries including the application of direct or indirect mechanical stirring, chemical treatments of the melt, and manipulation of pouring temperature.

One of the important parameters controlling the mechanical and flow characteristics of SSM billets is the morphology of the primary solid phase, e.g. α-Al for Al–Si alloys. The morphological evolution of primary α-Al particles of SSM processed A356 Al–Si billets is studied with variant soaking times, 0–480 s, at 595°C, i.e. 0·33 fraction solid before the applied compression force. The effect of applied compression force of 33 kgf on the evolution of dendritic morphology was also investigated at the same temperature and within the same holding time range. The microstructure was characterised quantitatively and showed that spheroidisation and coarsening are active during the course of treatment with the application of compressive forces bringing about further refinement.

Le traitement de métal à l’état semi-solide (SSM) est une technologie relativement nouvelle de formage des métaux, différente des technologies conventionnelles de façonnage des métaux qui utilisent des métaux soit à l’état solide ou liquide comme matériel de départ. Le traitement SSM traite des coulis à l’état semi-solide, dans lesquels des particules solides non-dendritiques sont dispersées dans une matrice liquide. La fraction volumique du solide peut varier entre 0·1 et 0·5, avec une viscosité apparente proche de celle de l’état liquide. Le coulis s’écoule facilement sous pression en des formes compliquées avec un haut degré de remplissage du moule et d’intégrité. Il existe différentes façons de préparer les coulis de SSM, incluant l’application d’agitation mécanique directe ou indirecte, les traitements chimiques du bain et la manipulation de la température de coulage.

L’un des paramètres importants contrôlant les caractéristiques mécaniques et d’écoulement des billettes de SSM est la morphologie de la phase solide primaire, par exemple Al-α dans les alliages d’Al–Si. On a étudié l’évolution morphologique des particules primaires d’Al-α de billettes traitées en SSM d’Al–Si A356, avec des temps d’incubation variant de 0 à 480 s, à 595°C – c’est-à-dire fraction solide de 0·33 avant la force appliquée en compression. On a également examiné l’effet de la force de compression appliquée de 33 kgf sur l’évolution de la morphologie dendritique, à la même température et dans la même gamme de temps de rétention. On a caractérisé quantitativement la microstructure et l’on montre que la sphéroïdisation et le grossissement sont actifs tout au long du traitement, l’application de forces compressives amenant davantage d’affinement.     

Three-dimensional thermal model for vertical direct chill slab casting process

To aid in the designing of an automatic control system, a steady state three-dimensional (3D) thermal model is developed to predict the temperature distributions for an industrial scale vertical direct chill (DC) slab caster for aluminium alloy AA-1050. A single domain approach for the liquid, mushy and solid regions is used by employing the enthalpy porosity technique. The convective heat transfer in the liquid region is taken into account by assuming a slag flow velocity field equal to the casting speed. The predicted thermal field is verified with the numerically predicted temperature field available in the literature and a reasonably good agreement is found. Detailed parametric study is carried out by varying important parameters of this process. Results of the temperature field, sump depth, mushy zone thickness, shell thickness and local surface heat flux are presented and discussed.

Afin d’aider à la conception d’un système de contrôle automatique, on a développé un modèle thermique à 3D en régime permanent pour la prédiction des distributions de température d’une machine de coulée verticale de brames par refroidissement intense et continu (DC) à l’échelle industrielle, pour l’alliage d’aluminium AA-1050. On utilise une approche à domaine unique pour la région liquide, la région pâteuse et la région solide au moyen de la technique d’enthalpie et porosité. On tient compte du transfert de chaleur par convection dans la région liquide en assumant un champ de vitesse d’écoulement de laitier égal à la vitesse de coulage. On vérifie le champ thermique prédit au moyen du champ de température prédit numériquement dans la littérature et l’on obtient un accord raisonnable. On effectue une étude paramétrique détaillée en faisant varier les paramètres importants de ce procédé. On présente et discute les résultats du champ de température, de la profondeur du refoulement, de l’épaisseur de la zone pâteuse, de l’épaisseur de la coquille, et du flux thermique local à la surface.     

Computational study on the behaviours of supersonic jets and their impingement onto molten liquid free surface in BOF steelmaking

A mathematical model is proposed to study the impingement of multiple supersonic jets onto the free surface of the liquid bath containing molten slag and metal in a steelmaking converter by means of volume of fluid (VOF) approach. The applicability of the proposed model is verified by the good agreement with measured and calculated results. The model is then used to study the jet hydrodynamic behaviours such as jet profile, impact force, penetration depth and impact area, as well as time-dependent evolution of cavity, with respect to temperature, operating pressure and lance height. The results show that the temperature effect on total impact force is negligible but significant for penetration depth and impact area. A semi-empirical correlation is used to describe penetration depth under the steelmaking condition of high temperature. It is also shown that the proposed model can reproduce the splashing phenomenon on the bath surface.

On propose un modèle mathématique pour étudier l’impact de jets supersoniques multiples à la surface libre du bain liquide contenant de la scorie et du métal fondus dans un convertisseur de production d’acier, au moyen de l’approche du Volume de Fluide (VOF). On vérifie l’applicabilité du modèle proposé par l’agrément entre les résultats calculés et les résultats mesurés. On utilise ensuite le modèle pour étudier les comportements hydrodynamiques du jet, comme le profil du jet, la force de choc, la profondeur de pénétration et la superficie de l’impact, ainsi que l’évolution de la cavité en fonction du temps par rapport à la température, à la pression d’opération et à la hauteur de la lance. Les résultats montrent que l’effet de la température sur la force totale de choc est négligeable mais qu’il est important pour la profondeur de pénétration et pour la superficie de l’impact. On utilise une corrélation semi-empirique pour décrire la profondeur de pénétration pour la production d’acier à température élevée. On montre également que le modèle proposé peut reproduire le phénomène d’éclaboussement à la surface du bain.     

Computational Modelling of Heat/Mass Transfer Near the Liquid-Solid Interface During Rapid Solidification of Binary Metal Alloys Under Laser Treatment

Abstract

This paper presents the results of an investigation into the problem of planar solid-liquid interface stability during rapid solidification of binary metal alloys under laser treatment. A new quantitative model is proposed. This model describes the self-organized development of stable spatially-periodic vortices in the melt near the solid-liquid interface due to concentration- (or thermal) capillary effects) together with effects due to the influence of normal concentration or temperature gradients directed from the interface towards the melt. These vortices give rise to a cellular structure at the solid-liquid interface of rapidly frozen melts.

A computer code was developed to solve the set of second-order linear differential equations which describe heat and mass transfer at the liquid-solid interface. This model allows calculation of the liquid phase velocity field, the second component concentration field in the melt, as well as the temperature field in the liquid and solid phases near the solid-liquid interface at a given solidification rate. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

Ce document presenté les résultats de l'etude du problème de stabilité de l'interface solide-liquide plane lors de la solidification rapide d'alliages metalliques binaires par traitement au laser. On propose un nouveau modèle quantitatif. Ce modele decrit le développement auto-organisé de tourbillons stables,périodiques dans l'espace, dans le bain fondu près de l'interface solide-liquide. Ces tourbillons sont dus aux effets1 capillaires de concentration (ou thermiques) ainsi qu'à l'influence de la concentration normale ou des gradients de températures diriges de l'interface vers le bain fondu. Ces tourbillons donnent naissance à une structure cellulaire a l'interface solide-liquide des bains fondus rapidément solidifiés.

On a développé un code d'ordinateur pour resoudre l'ensemble d'equations differentielles lineaires de second ordre qui decrivent le transfert de chaleur et de masse à l'interface liquide-solide. Ce modèle permet le calcul du champ de vitesse de la phase liquide, du champ de concentration de la seconde composante dans le bain fondu, ainsi que du champ de temperature dans la phase liquide et la phase solide près de l'interface solide-liquide, à un taux donné de solidification. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Rheological behaviour of AZ91D magnesium alloy in semisolid state

Abstract

The rheological characterisation of semisolid AZ91D magnesium alloy has been successfully studied using a Couette rheometer. Different applied regimes by varying the temperature and the shearing in semisolid state revealed the rheological behaviour of the alloy and were confirmed by microstructural evolution. The apparent viscosity was the critical parameter that was studied during the applied regimes. The change in the morphology of the solid phase during the thermomechanical treatment was the main cause of the evolution of the apparent viscosity. The evolution of the morphology of the solid phase, from dendritic to globular, due to the shearing, had a significant impact on the rheological behaviour of the slurry which was correlated to the operating conditions by an analytical model.

L’étude de la caractérisation rhéologique de l’alliage de magnésium de type AZ91D à l’état semi-solide a révélé une étroite dépendance entre les conditions opératoires et les changements structuraux. Les régimes thermo-mécaniques choisis ont montré que la vitesse de refroidissement ainsi que le cisaillement imposé avaient un effet direct sur la viscosité apparente de l’alliage. Le passage d’une structure conventionnelle dendritique à une structure globulaire a réduit de manière significative la viscosité, tributaire de l’intensité ainsi que du temps de cisaillement selon un modèle analytique.     

Kinetic analysis of silicothermic process under flowing argon atmosphere

The Pidgeon process, a silicothermic reduction of calcined dolomite under vacuum, is the dominant process to make magnesium metal. Experimental data from Morsi et al., were utilised for kinetics analysis of silicothermic reduction of calcined dolomite under argon atmosphere. A number of kinetic models were assessed to evaluate the rate-controlling step in the process. The results suggest that the reaction is controlled by the solid-state diffusion of reactants with the Jander and Ginstling–Brounshtein model providing the best representation of the process kinetics. Mass transfer effects of magnesium vapour from the surface to the bulk gas phase was also analysed. These results suggest that gas–film mass transfer is not the limiting step of the kinetics. Pore diffusion through briquettes is postulated to have some effect on the kinetics but solid-state diffusion is the major rate-limiting step.

Le procédé Pidgeon, une réduction silicothermique sous vide de dolomie calcinée, est le procédé dominant de production de magnésium métallique. On a utilisé les données expérimentales de Morsi et al pour l’analyse cinétique de la réduction silicothermique de dolomie calcinée sous une atmosphère d’argon. On a estimé un certain nombre de modèles cinétiques afin d’évaluer l’étape du procédé cinétiquement limitante. Les résultats suggèrent que la diffusion à l’état solide des réactants contrôle la réaction, le modèle de Jander et Ginstling-Brounshtein fournissant la meilleure représentation de la cinétique du procédé. On a également analysé les effets du transfert massique de la vapeur de magnésium de la surface vers le c?ur de la phase gazeuse. Ces résultats suggèrent que le transfert de masse gaz-film n’est pas l’étape limitante de la cinétique. On postule que la diffusion par pore à travers les briquettes a un certain effet sur la cinétique mais la diffusion à l’état solide est l’étape majeure cinétiquement limitante.