Laboratory experiments and process modelling of the melting and dissolution of low-density ferro-molybdenum in steel melts (2000)

A low-density sintered ferro-molybdenum is presented as a new alloying agent. The paper describes laboratory studies about the dissolution in liquid iron of briquettes of this alloy and of classical high density ferro-molybdenum pieces. It presents further a mathematical model of the melting and dissolution process. During dissolution, an approximately 1mm thick layer infiltrated by melt forms on the particle surface. The infiltrated melt solidifies in the plane where the temperature has reached the eutectic temperature in the system iron-molybdenum. Internal dissolution of alloy material in the layer is weak, which means that the dissolution proceeds almost exclusively from the outer surface of the briquette. Dissolution rate increases with sinking briquette density. The lower molybdenum content per volume in the briquettes which is proportional to the density has the effect that the liquidus concentration and the liquidus temperature at the solid-liquid interface decrease in comparison with compact material. This reduces the mass transfer rate and increases the heat transfer rate. The effect is a faster movement of the interface. Below a critical density of approximately 5200 kg/m3 for the alloy considered, the molybdenum concentration on both sides of the interface becomes equal. From this moment, the alloy is liquefied solely by melting of the moving interface. Mass transfer from the interface gets negligible and distribution of the molten alloy into the bulk melt takes place only by the outer mixing process. From the described behaviour it follows, that below the critical density the melting rate is solely determined by heat transfer. Since heat transfer is faster than mass transfer, melting of alloys with reduced density is correspondingly accelerated. The extremely slow dissolution rates of high melting alloys can thus, be overcome by giving the alloy a certain porosity. The mathematical process model describes the phenomena quantitatively. Ein gesintertes Ferromolybdän geringer Dichte wird als neues Legierungsmittel vorgestellt. Der Bericht beschreibt Laborversuche zur Auflösung von gesinterten Briketts dieser Legierung und von klassischem Ferromolybdän hoher Dichte. Weiterhin wird ein mathematisches Modell des Schmelz- und Lösungsprozesses vorgestellt. Während des Lösens bildet sich auf der Oberfläche der Teilchen eine ca. 1 mm dicke Schicht, die von Schmelze infiltriert ist. Die infiltrierte Schmelze erstarrt in der Ebene mit der eutektischen Temperatur des Systems Eisen-Molybdän. Kristallite lösen sich in der Schicht nur schwach, was bedeutet, daß die Auflösung fast ausschließlich von der Oberfläche des Teilchens her erfolgt. Die Auflösungsrate nimmt mit sinkender Brikettdichte zu. Der proportional zur Dichte niedrigere Molybdängehalt pro Volumen in den Briketts bewirkt, daß die Liquiduskonzentration und die Liquidustemperatur an der Fest/Flüssig-Grenzfläche im Vergleich zu kompaktem Material sinken. Das vermindert die Geschwindigkeit des Stofftransportes und verstärkt die des Wärmetransportes. Als Ergebnis wandert die Phasengrenze schneller. Unterhalb einer kritischen Dichte, die für die untersuchte Legierung ca. 5200 kg/m3 beträgt, wird die Molybdänkonzentration auf beiden Seiten der Phasengrenze gleich. Von diesem Moment an wird die Legierung allein durch das Schmelzen der wandernden Phasengrenze verflüssigt. Der Stofftransport von der Oberfläche wird vernachlässigbar, und die Verteilung des geschmolzenen Legierungsstoffes in der Schmelze erfolgt nur noch durch die äußere Vermischung. Infolge des beschriebenen Verhaltens ist die Schmelzrate unterhalb der kritischen Dichte allein durch Wärmetransport bestimmt. Da Wärmetransport schneller als Stofftransport ist, wird das Schmelzen von Legierungen mit verminderter Dichte entsprechend be-schleunigt. Die extrem langsamen Auflösungsraten hochschmelzender Legierungen können also umgangen werden, indem man ihnen eine gewisse Porosität verleiht. Das mathematisches Prozeßmodell beschreibt die Vorgänge quantitativ.