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.     

PERFORMANCE OF HIGH REFLECTANCE MULTIPLE LAYERED THERMAL BARRIER COATING SYSTEMS

Abstract

Afurther increase in gas turbine engine temperature necessitates a continuous development and advancement of thermal barrier coatings. While tremendous effort has been devoted to developing new thermal barrier coating materials and processing methods in order to decrease the thermal conductivity, limited attention has been paid to radiative thermal transport through coatings. It is the purpose of this study to develop a new multiple layered coating structure that can be used to effectively reduce both the radiative thermal transport as well as thermal conductivity and to demonstrate the mechanism and performance of the proposed multiple layered coating structure. Mathematical modelling based on multiple beam interference and simulation results are presented.

Une augmentation supplémentaire de la température de la turbine à gaz nécessite le développement et l’avancement continu des revêtements pour barrière thermique. Alors qu’on a dévolu un effort remarquable au développement de nouveaux matériaux de revêtement pour barrière thermique et aux méthodes de traitements afin de diminuer la conductivité thermique, on a peu porté attention à la transmission thermique radiative à travers les revêtements. C’est le but de cette étude de développer une nouvelle structure de revêtement multicouche, que l’on peut utiliser pour réduire efficacement tant la transmission thermique radiative que la conductivité thermique, et de démontrer le mécanisme et le rendement de la structure proposée de revêtement multicouche. On présente un modèle mathématique basé sur l’interférence à faisceaux multiples ainsi que les résultats de la simulation.     

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.     

RECOVERY OF RARE EARTHS FROM THE SPENT OPTICAL GLASS BY HYDROMETALLURGICAL PROCESS

Abstract

A hydrometallurgical process involving conversion of rare earths to hydroxides with sodium hydroxide, leaching of the hydroxides by hydrochloric acid, purification of pregnant liquor by selective precipitation and separation of rare earths chlorides by means of solvent extraction using D2EHPAin kerosene as an extractant is developed to recover rare earths (RE) from the spent optical glass containing lanthanum, yttrium and gadolinium. The influence of NaOH concentration, liquid to solid ratio, temperature and time on the conversion of products is investigated by means of an X-ray diffractometer and inductively coupled plasma atomic emission spectrophotometer. The dependence of the RE leaching ratio on HCl concentration, liquid to solid ratio, temperature and time is also examined. Subsequently, the effect of operating parameters in the extraction, scrubbing and stripping on the separation of rare earths is investigated as well. The results show that by using the integrated process, 99.95% pure individual lanthanum chloride solution containing 31.76 g/L La with total recovery of 93.58%, 98.65% pure individual yttrium chloride solution containing 11.45 g/L Y with total recovery of 97.59% and 95.18% pure individual gadolinium chloride solution containing 5.58 g/L Gd with total recovery of 93.61% are obtained.

On développe un traitement par hydrométallurgie pour récupérer les lanthanides (RE) du verre optique usé contenant du lanthane, de l’yttrium et du gadolinium. Ce traitement implique la transformation de lanthanides en hydroxydes avec de l’hydroxyde de sodium, la lixiviation des hydroxydes par de l’acide chlorhydrique, la purification de la liqueur sursaturée par précipitation sélective et séparation des chlorures de lanthanides au moyen de l’extraction par solvant, en utilisant du D2EHPA dans du kérosène comme agent d’extraction. On étudie l’influence de la concentration du NaOH, du rapport de liquide à solide, de la température et de la durée sur la transformation des produits, au moyen d’un diffractomètre à rayons X et d’un spectrophotomètre à émission d’atome couplé à un plasma inductif. On examine également la dépendance du taux de lixiviation des lanthanides sur la concentration de HCl, sur le rapport de liquide à solide et sur la température et la durée. Subséquemment, on étudie également l’effet des paramètres de service lors de l’extraction, de la purification et du lavage sur la séparation des lanthanides. Les résultats montrent qu’en utilisant le traitement intégré on obtient une récupération totale de 93.58% La pour une solution individuelle pure à 99.95% de chlorure de lanthane contenant 31.76 g/L La, une récupération totale de 97.59% Y pour une solution individuelle pure à 98.65% de chlorure d’yttrium contenant 11.45 g/LY et une récupération totale de 93.61% Gd pour une solution individuelle pure à 95.18% de chlorure de gadolinium contenant 5.58 g/L Gd.     

HYDROGEN REDUCTION OF INDUSTRIAL NICKEL OXIDES

Abstract

Thermal gravimetric analysis (TGA) was used to investigate the reduction behaviour of three industrial nickel oxides. Both isothermal and non-isothermal reduction experiments were carried out. Due to the low BET surface area and relative dense structure of the Goro NiO, it was reduced at a slower rate than both Tokyo NiO and Sinter 75 which were the two other nickel oxides investigated.

In the temperature range from 400 to 600 °C, the rate of reduction increased with increasing temperature and increasing hydrogen pressure. Microscopic analysis showed that in this temperature range, the reaction followed the topochemical model. When the temperature was increased to 700 and 800 °C, the reduction rate decreased noticeably. Microscopy showed inner bands of metallization inside the outer metallic rim seen at lower temperatures indicating partial blockage of the interface between the reacted and unreacted NiO core.

On a utilisé la gravimétrie thermique (TGA) pour étudier le comportement de réduction de trois oxydes de nickel industriels. On a effectué des expériences de réduction isotherme et non isotherme. À cause de la faible superficie BET et de la structure relativement dense du NiO Goro, celui-ci était réduit à un taux plus faible que le NiO Tokyo ou le Sinter 75, les deux autres oxydes de nickel étudiés.

Dans la gamme de température de 400 à 600 °C, le taux de réduction augmentait avec une augmentation de la température et une augmentation de la pression d’hydrogène. L’analyse de microscopie a montré que dans cette gamme de température, la réaction suivait le modèle topochimique. Lorsqu’on augmentait la température à 700 et à 800 °C, le taux de réduction diminuait significativement. La microscopie a montré des bandes internes de métallisation à l’intérieur de la bordure métallique externe observée aux plus basses températures, indiquant un blocage partiel de l’interface entre la région ayant réagi et le noyau de NiO n’ayant pas réagi.     

Effects of Fe and Ni additions on emerging Al–4·5Cu–1·5Mg powder metallurgy alloy

Abstract

In recent laboratory studies, a method designed to modify an emerging Al–Cu–Mg powder metallurgy alloy with Fe and/or Ni additions was successfully developed. The objectives of this research were designed to expand upon this work with an emphasis on characterising the industrial processing behaviour and thermal stability of the alloy with and without additions of these transition metals. All powder compacts exhibited an industrial sintering response that mirrored prior laboratory findings thereby confirming commercial viability. Subsequently, tensile specimens were machined from industrially sintered bars, heat treated to the T6 temper and then subjected to various conditions of thermal exposure at temperatures up to 280°C. Differential scanning calorimetry (DSC) data confirmed that Fe/Ni additions reduced the precipitation kinetics of the S-type phases responsible for peak strengthening at temperatures <160°C and thereby enhanced the thermal stability of important tensile properties such as yield strength. At higher temperatures (>200°C), the Fe/Ni additions were less effective with both alloys exhibiting comparable levels of strength degradation.

Lors d’études récentes en laboratoire, on a développé avec succès une méthode conçue pour modifier un alliage émergeant de la métallurgie des poudres, Al–Cu–Mg, avec des additions de Fe et/ou de Ni. Cette recherche a pour but d’élargir ce travail avec une emphase sur la caractérisation du comportement du traitement industriel et de la stabilité thermique de l’alliage, avec ou sans additions de ces métaux de transition. Tous les compacts de poudre exhibaient une réponse industrielle de frittage qui reflétait les trouvailles antécédentes en laboratoire, confirmant ainsi la viabilité commerciale. Subséquemment, on a usiné des échantillons pour mesure de résistance à la traction à partir de barres frittées industriellement et on les a traités thermiquement à l’état T6. On a ensuite soumis les échantillons à des conditions variées d’exposition thermique à des températures allant jusqu’à 280°C. Les données de DSC ont confirmé que les additions de Fe/Ni réduisaient la cinétique de précipitation des phases de type S, responsables de l’endurcissement de pointe à des températures <160°C et augmentaient ainsi la stabilité thermique des propriétés importantes de résistance à la traction comme la limite d’élasticité. À des températures plus élevées (>200°C), les additions de Fe/Ni étaient moins efficaces, les deux alliages exhibant des niveaux comparables de dégradation de la résistance.     

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.     

Kinetics of mild steel corrosion in aqueous formic acid solutions

Abstract

The kinetics of the corrosion of mild steel in formic acid solutions of different concentrations has been studied at 25, 35 and 45°C. The corrosion rate was evaluated by weight loss and electrochemical polarisation techniques. There is good agreement between the data obtained by the two techniques. The maximum corrosion rate was observed in close vicinity of 20% formic acid solution. The anodic polarisation curves show active corrosion behaviour of mild steel over the whole range of potential at each concentration and temperature. The shape of anodic and cathodic polarisation curves was found to be almost independent of the temperature and the concentration of formic acid. However, the curves bodily shift towards the lower or higher current density side with the change in the concentration of the electrolyte. With the increase in temperature, the shift of polarisation curve regularly occurs towards the higher current density side. The surface morphology of the specimens has been studied by scanning electron microscopy. The micrographs indicate uniform corrosion of mild steel in formic acid solution.

On a étudié la cinétique de corrosion de l’acier au carbone en solutions d’acide formique à différentes concentrations, à 25, 35 et 45°C. On a évalué la vitesse de corrosion par des techniques de perte de poids et de polarisation électrochimique. Il y a un bon accord entre les données obtenues par les deux techniques. On a observé la vitesse maximale de corrosion dans une solution de près de 20% d’acide formique. Les courbes de polarisation anodique montrent un comportement de corrosion active de l’acier au carbone pour la gamme complète de potentiel à chaque concentration et température. On a trouvé que la forme des courbes de polarisation anodique et cathodique était presque indépendante de la température et de la concentration de l’acide formique. Cependant, le c?ur des courbes se déplace du côté d’une densité de courant plus faible ou plus élevée avec un changement de concentration de l’électrolyte. Avec une élévation de la température, le déplacement de la courbe de polarisation se produit régulièrement du côté d’une densité de courant plus élevée. On a étudié la morphologie de la surface des échantillons au moyen du microscope électronique à balayage. Les micrographes indiquent une corrosion uniforme de l’acier au carbone dans une solution d’acide formique.     

Lateritic saprolite leaching in concentrated magnesium chloride media

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

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

A study of reduction and magnetic separation of iron from high iron bauxite ore

Abstract

The removal of iron as magnetite from a high iron bauxite ore was investigated by carbothermal reduction and magnetic separation. Thermodynamic calculations using HSC Chemistry 6·1 were utilised to determine the equilibrium compositions of the reaction products as a function of temperature and carbon additions. Under equilibrium conditions, the formation of hercynite (FeAl₂O₄) restricted the conversion of haematite to magnetite and the equilibrium calculations were adjusted so that the amount of hercynite was limited. Also, thermogravometric analysis and differential thermal analysis with evolved gas analysis tests were performed in order to elucidate the reduction reactions. Furthermore, high temperature reduction experiments were carried out in order to quantify the effects of processing time, temperature and carbon additions on the amount of the magnetic fraction. The degree of removal of the iron and the alumina recovery were determined. For a given set of conditions, the maximum iron removal as magnetite could only be achieved by quenching the reacted samples. The results demonstrated that at a reduction temperature of ～1073 K, ～58% of the iron could be removed in the magnetic fraction with an alumina recovery of ～85% in the non-magnetic fraction.

On a examiné l’enlèvement du fer sous forme de magnétite d’un minerai de bauxite à haute teneur en fer, au moyen de la réduction carbothermique et séparation magnétique. On a utilisé des calculs de thermodynamique avec ″HSC Chemistry 6·1″ pour déterminer les compositions d’équilibre des produits de la réaction en fonction de la température et des additions de carbone. Sous les conditions d’équilibre, la formation d’hercynite (FeAl₂O₄) restreignait la conversion d’hématite en magnétite et l’on a ajusté les calculs d’équilibre afin de limiter la quantité d’hercynite. On a également effectué des essais de TGA-DTA avec EGA afin d’élucider les réactions de réduction. De plus, on a exécuté des expériences de réduction à haute température afin de quantifier l’effet de la durée de traitement, de la température et des additions de carbone sur la quantité de fraction magnétique. On a déterminé le degré d’enlèvement du fer et de la récupération d’oxyde d’aluminium. Pour un ensemble donné de conditions, on peut obtenir l’enlèvement maximal de fer sous forme de magnétite seulement par trempe de refroidissement des échantillons réagis. Les résultats ont démontré qu’à une température de réduction d’environ 1073 K, on pouvait enlever environ 58% du fer dans la fraction magnétique, avec une récupération de l’oxyde d’aluminium d’environ 85% dans la fraction non magnétique.     

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

Abstract

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

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

Microstructure–strength models for heat treatment of Al–Si–Mg casting alloys I: microstructure evolution and precipitation kinetics

A comprehensive microstructure–strength mathematical model for the heat treatment of Al–Si–Mg casting alloys is presented. As part of the model development, the evolution of microstructure and mechanical properties during heat treatment of an industrially cast A356 aluminium alloy was studied in an extensive experimental investigation. For the solution treatment process, the changes in dendritic composition and eutectic morphology in the temperature range 773–833 K (500–560°C) were quantified using microprobe and image analysis techniques. For natural and artificial ageing, the kinetics of precipitation/clustering was determined using an isothermal calorimetry technique in conjunction with hardness and mechanical property measurements. Two other Al–Si–Mg model alloy compositions were used to study the effects of alloy chemistry on microstructure response during heat treatment. The overall aim of the experimental work presented here is to facilitate the development of a comprehensive microstructure–strength model for the heat treatment of Al–Si–Mg casting alloys that will be presented in part II of this paper.

On présente un modèle mathématique détaillé de la microstructure-résistance du traitement thermique des alliages de moulage d'Al–Si–Mg. Faisant partie du développement du modèle, on a étudié l'évolution de la microstructure et des propriétés mécaniques lors du traitement thermique d'un alliage d'aluminium A356 moulé industriellement lors d'un examen expérimental de grande envergure. Pour le traitement de mise en solution, on a quantifié les changements de la composition dendritique et la morphologie de l'eutectique dans la gamme de température de 773 à 833 K (500 à 560 °C) en utilisant les techniques de la microsonde et de l'analyse d'image. Pour le vieillissement naturel et artificiel, on a déterminé la cinétique de précipitation/agrégation en utilisant une technique de calorimétrie isotherme en conjonction avec les mesures de dureté et de propriétés mécaniques. On a utilisé deux autres compositions de l'alliage modèle d'Al–Si–Mg pour étudier les effets de la chimie de l'alliage sur la réponse de la microstructure lors du traitement thermique. Le but global du travail expérimental présenté ici est de faciliter le développement d'un modèle détaillé de microstructure-résistance du traitement thermique des alliages de moulage d'Al–Si–Mg qui sera présenté dans la seconde partie de cet article.     

Influence of process parameters on reduction contours during production of ferrochromium in submerged arc furnace

Abstract

Contours of iso‐reduction lines in the submerged arc furnace producing ferrochromium were constructed using a mathematical model based on the temperature profile inside the furnace and the kinetics of reduction of chromite ores. The location and the contours of the iso‐reduction lines are significantly influenced by the temperature profile in the furnace. From the model, it is found that ～27% of the furnace volume is used for the reduction of the ore. The contours are significantly influenced by the degree of pre‐reduction of the ore charged into the furnace. The iso‐reduction lines can be used for enhancing the efficiency of the process and for better control of the operation exploiting options such as intelligent distribution of charge materials over the charge bed.

On a construit des lignes de contour d’iso‐réduction dans le four à arc submergé produisant du ferrochrome en utilisant un modèle mathématique basé sur le profil de température à l’intérieur du four et sur la cinétique de réduction des minerais de chromite. La localisation et les contours des lignes d’iso‐réduction sont influencés significativement par le profil de température dans le four. À partir du modèle, on a trouvé qu’environ 27% du volume du four était utilisé pour la réduction du minerai. Les contours sont influencés significativement par le degré de pré‐réduction du minerai chargé dans le four. On peut utiliser les lignes d’iso‐réduction pour augmenter le rendement du traitement et pour mieux contrôler les options d’exploitation de l’opération comme la distribution intelligente des matériaux de la charge sur le lit de chargement.     

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.     

Predicting microstructure from heat flow calculations in electron beam welded eutectoid steels

Abstract

The thermal history of an array of points in the neighbourhood of an electron beam weld is calculated from Rosenthal's solution for two-dimensional heat flow. Calculations are included for typical electron beam welding parameters and the results are presented in terms of isotherms, temperature profiles, and as heating and cooling curves. From isotherms the extent of the fusion and transformed zones are predicted. Heating rates of the order of 10,000° C/sec are typical in electron beam welding. Similarly high cooling rates are predicted where temperatures are high. Microstructure is predicted from the calculated cooling curve of a point and the continuous cooling transformation diagram. The microstructure of low-hardenability steels is most sensitive to the input energy per unit area which strongly influences the cooling curve at short times on a continuous cooling transformation diagram. The microstructure of high-hardenability steels depends largely on the preheat temperature, which predominantly controls the cooling curve at long times on the continuous cooling transformation diagram. The analysis applies equally to laser and plasma welding.

Résumé

Les auteurs ont calculé, au moyen de la solution de Rosenthal pour un écoulement de chaleur bidimentionnel, le comportement thermique d'un réseau de points au voisinage d'un cordon de soudure par faisceau électronique. Pour des paramètres typiques de soudage par faisceau électronique, les calculs sont développés et les résultats sont présentés sous forme d'isothermes, de proil1s thermiques et de courbes de chauffage et de refroidissement. A partir des isothermes le domaine de fusion et des zones transformées est présentée Des taux de chauffage typique de ce ogenre de soudage sont de l'ordre de 10,000°C/sec et de fa?on analogue des taux de refroidissement élevé sont prévus quand la température est haute. A partir de la courbe de refroidissement d'un point et du diagram me de transformation en refroidissement continu les microstructures de ce point sont prédites. La microstructure d'aciers faiblement durcissables est fort sensible à l' énergie par unité de surface qui influence fortement la courbe de refroidissement à des temps courts du diagram me alors que, pour un acier facilement durcissable, la microstructure dépend davantage sur la température de préchauffage qui contrôle la courbe de refroidissement pour les temps longs du diagramme de transformation. Cette analyse peut également s'appliquer au soudage par laser ou par plasma.     

Microstructure–yield strength models for heat treatment of Al–Si–Mg casting alloys II: modelling microstructure and yield strength evolution

A microstructure–strength mathematical model for the heat treatment for commercially significant Al–Si–Mg casting alloys was developed and validated. As part of the model development, the evolution of microstructure and mechanical properties during heat treatment of an industrially cast A356 aluminium alloy was studied in an experimental investigation. A model framework to predict the evolution of microstructure and yield strength during heat treatment was proposed for hypoeutectic Al–Si–Mg casting alloys and validated against experimental measurements. In part II of this paper, the model framework to predict the evolution of microstructure and yield strength during the ageing process is described. The framework is focussed on the development of strength during natural and artificial ageing and includes the relative influences of alloy chemistry and the prior solution treatment and natural ageing history of the material. Model validation has been done using independent experimental and literature data, and the model has been applied to industrial heat treatment scenarios in order to determine the potential for process optimisation.

On a développé et validé un modèle mathématique de la microstructure-résistance du traitement thermique des alliages de moulage d’Al-Si-Mg ayant une importance commerciale. Faisant partie du développement du modèle, on a étudié, par examen expérimental, l’évolution de la microstructure et des propriétés mécaniques lors du traitement thermique d’un alliage d’aluminium A356 moulé industriellement. On a proposé une structure de modèle prédisant l’évolution de la microstructure et de la limite d’élasticité lors du traitement thermique des alliages de moulage hypo-eutectiques d’Al-Si-Mg et on l’a validé par des mesures expérimentales. Dans la seconde partie de cet article, on décrit la structure du modèle prédisant l’évolution de la microstructure et de la limite d’élasticité lors du traitement de vieillissement. La structure se concentre sur le développement de la résistance lors du vieillissement naturel et artificiel et comprend les influences relatives de la composition chimique de l’alliage et du traitement antérieur de mise en solution et de l’histoire du vieillissement naturel du matériau. On a effectué la validation du modèle en utilisant des données expérimentales indépendantes et des données de la littérature, et on a appliqué le modèle à des scénarios de traitement thermique industriel afin de déterminer le potentiel d’optimisation du procédé.     

Electric resistivity of fine chromite ore: measurement and prediction

Abstract

Fine chromite ore is a common raw material used to produce ferrochrome alloy by submerged electric arc furnace process. The electric resistivity of fine chromite ore determines current distribution, which in turn, affects operation efficiency during the process. The effects of particle size and contact area of the particles on the electric resistivity of several types of chromite were investigated at room temperature. The relationship between the electric resistivity of mixed particles and the volume fraction of lump ore to fine ore was also studied. Contact resistivity decreases with increasing box-counting dimension. Finally, a ‘parallel connection circuit model’ for predicting the electric resistivity of the chromite mixture was developed. Results show that electric resistivity increases as particle size increases, and that the electric resistivity of the mixture decreases with increasing volume ratio of fine ore. The electric resistivity calculated by the parallel connection circuit model is consistent with measurements.

Le minerai fin de chromite est un matériau brut commun utilisé dans la production d’alliage de ferrochrome par le procédé du four électrique à arc submergé. La résistivité électrique du minerai fin de chromite détermine la distribution du courant, qui, à son tour, affecte l’efficacité de l’opération lors du procédé. On a examiné, à la température de la pièce, l’effet de la taille de particule et de l’aire de contact des particules sur la résistivité électrique de plusieurs types de chromite. On a également étudié la relation entre la résistivité électrique de particules mélangées et la fraction volumique du minerai en bloc par rapport au minerai fin. La résistivité par contact diminuait avec une augmentation de la dimension de boîtes. Finalement, on a développé un ″modèle de circuit à connexions en parallèle″ pour la prédiction de la résistivité électrique du mélange de chromites. Les résultats montrent que la résistivité électrique augmente avec une augmentation de la taille de particule et que la résistivité électrique du mélange diminue avec une augmentation de la densité relative de minerai fin. La résistivité électrique calculée au moyen du modèle de circuit à connexions en parallèle est en accord avec les mesures.     

Thermal decomposition of pyrite in fluidized beds

Abstract

The thermal decomposition of pyrite concentrate into sulphur arid synthetic pyrrhotite was investigated in bench and semi-pilot scale fluidized bed reactors fired with methane or fuel oil. The pyrite was decomposed in a bed of coarse sand and the product pyrrhotite was carried over with the fluidizing gases and separated in hot cyclones. The effects of fuel/air ratio, reactor temperature, superficial gas velocity, particle size and feed rate on the elimination of labile sulphur were studied. Conversion was enhanced by slightly reducing atmospheres, low feed rates, high gas velocities and reaction temperature (in the range 740° to 830°C). Elutriation rates of pyrrhotite particles from the fluidized bed were measured and mean residence times determined as a function of particle size and superficial gas velocity. Conversion rates are considered with regard to possible rate-controlling steps in the thermal decomposition of pyrite.

Résumé

La décomposition thermique de concentré de pyrite en soufre et en pyrrhotite synthétique a été étudiée en laboratoire et à une échelle semi-pilote dans des réacteurs à lit fluidisé chauffés avec du méthane ou de l'huile combustible. On a décomposé la pyrite sur un lit de sable grossier et la pyrrhotite produite a été entraînée avec le gaz fluidisant et séparée dans des cyclones chauds. Les effets du rapport combustible/air, de la température du réacteur, de la vitesse superficielle du gaz, de la taille des particules et de la vitesse d'alimentation sur l'élimination du soufre labile ont été étudiés. On a amélioré la transformation avec des atmosphàres légàrement réductrices, des vitesses d'alimentation lentes, de grandes vitesses pour le gaz fluidisant et une élévation de la température (dans le domaine 740 à 830°C). La vitesse d'élution des particules de pyrrhotite dans le lit fluidisé à été mesurée et on a déterminé des temps moyens de résidence en fonction de la taille des particules et de la vitesse superficielle du gaz. On a aussi étudié les changements de vitesses afin de déterminer les étapes pouvant contrôler la vi tesse de décomposition thermique de la pyrite.     

Identification of ductile fracture criterion on basis of experimental data

Development of a new fracture criterion in metal forming was the general objective of the paper. The emphasis was put on accounting for temperature and strain rate in a proposed criterion. Compression tests and strain induced crack opening (SICO) tests for the Inconel alloy were performed and applied for identification and validation of fracture criterion. Analysis of correlation and sensitivity analysis were applied to select the parameters, which are strongly influencing the conventional criteria. This part of the work showed that temperature and strain rate should be implemented into these criteria. Various criterion functions were analysed and that giving the minimum of the error in the identification was selected. The new criterion was validated by comparison its predictions with the SICO test results. Validation confirmed good qualitative predictive capability of the developed criterion. Further numerical tests were performed and probability of fracture during forging of blades process was predicted.

L’objectif général de cet article consistait à développer un nouveau critère de rupture dans le travail des métaux. On a mis l’emphase sur la température et la vitesse de déformation pour le critère proposé. On a effectué et appliqué des essais de compression et ouverture de fissure induite par deformation (SICO) sur l’alliage Inconel, pour l’identification et la validation du critère de rupture. On a appliqué une analyse de corrélation et une analyse de sensitivité afin de choisir les paramètres, qui influencent fortement les critères conventionnels. Cette partie du travail a montré que l’on devrait implémenter la température et la vitesse de déformation dans ces critères. On a analysé diverses fonctions du critère et l’on a choisi celle qui produisait l’erreur minimale d’identification. On a validé le nouveau critère en comparant ses prédictions avec les résultats de l’essai SICO. La validation a confirmé une bonne capacité de prédiction qualitative du critère développé. On a effectué des essais numériques additionnels et l’on a prédit la probabilité de rupture lors du procédé de forgeage de pales.     

Estimation of liquidus temperature for B2O3- and TiO2- containing fluoride free mould fluxes from activation energy for viscous flow and DTA measurements

Abstract

Liquidus temperatures of fluoride free mould fluxes simultaneously containing B₂O₃ and TiO₂ have been estimated from two methods, the activation energy for viscous flow and the DTA technique. Generally, the liquidus temperatures determined from the two methods are in good agreement. With the increase in B₂O₃ and TiO₂ content, the variation of liquidus temperatures for fluoride free mould fluxes estimated from the two methods is consistent. As the TiO₂ content increases, liquidus temperatures of the slags initially decrease and then increase. With the increase in B₂O₃ content, the liquidus temperatures of the slags decrease. Further quenching experiments reveal that there is no crystal precipitation in the slag at the liquidus temperature determined from DTA, while some crystal can be observed in the slag at the liquidus temperature determined from the activation energy for viscous flow. Superheating and supercooling effects which could bring errors in determining liquidus temperature by using the two methods are discussed.

On a estimé les températures du liquidus de fondants sans fluorure pour moule contenant simultanément du B₂O₃ et du TiO₂, à partir de deux méthodes, l’énergie d’activation pour écoulement visqueux et la technique de DTA. Généralement, les températures de liquidus déterminées à partir des deux méthodes étaient en bon accord. Avec l’augmentation de la teneur en B₂O₃ et en TiO₂, la variation des températures de liquidus des fondants sans fluorure pour moule, estimée à partir des deux méthodes, va de pair. À mesure que la teneur en TiO₂ augmente, les températures de liquidus des scories diminuent initialement et ensuite, augmentent. Avec l’augmentation de la teneur en B₂O₃, les températures de liquidus des scories diminuent. Des expériences additionnelles de trempe révèlent qu’il n’y a pas de précipitation de cristal dans la scorie à la température de liquidus déterminée à partir du DTA, alors qu’on peut observer quelques cristaux dans la scorie à la température de liquidus déterminée à partir de l’énergie d’activation pour écoulement visqueux. On discute des effets de surchauffe et de surfusion qui peuvent conduire à des erreurs dans la détermination de la température de liquidus au moyen de deux méthodes.