Solidification Study of Aluminum Alloys using Impulse Atomization: Part I: Heat Transfer Analysis of an Atomized Droplet

Abstract

Heat transfer models of molten metal droplets moving in a gas stream are used extensively to understand and improve gas atomization systems. In particular, the solidification microstructure of the metal droplets produced during atomization is closely linked with heat flow conditions. The cornerstone of these models is the calculation of the heat exchange between the droplet and gas in an environment with a high temperature gradient. To achieve this, the value of the effective heat transfer coefficient (between the gas and droplet) used in these models is obtained from semi-empirical correlations such as the Ranz- Marshall or Whitaker equations. Unfortunately, most metal atomizing conditions lie outside the experimental envelope in which these correlations were derived. Hence, the object of this paper is two fold: firstly, to develop a reliable and controlled experimental technique by which the transfer of heat from a high temperature droplet to a significantly cooler gas can be assessed and secondly, to determine the validity of both the Ranz-Marshall and Whitaker correlations under these conditions. An experimental technique was developed to conduct a series of quench tests using AA6061 aluminum and AZ91D magnesium droplets falling in a cool nitrogen and argon atmosphere, respectively. A heat transfer model was formulated to account for large droplet gas temperature gradients typically found in metallurgical processing operations. It was determined that a modified Whitaker correlation provided the best agreement with the experimental data given that the Reynolds and Prandtl numbers were evaluated at the free stream gas temperature and the gas conductivity in the Nusselt number at the droplet surface temperature.

Les modèles de transfert de chaleur de gouttelettes de métal fondu se déplaçant dans un courant de gaz sont amplement utilisés pour comprendre et améliorer les systèmes de pulvérisation au gaz. En particulier, la microstructure de solidification de gouttelettes de métal produites lors de la pulvérisation est liée de près aux conditions d’écoulement de chaleur. La pierre angulaire de ces modèles est le calcul d’échange de chaleur entre la gouttelette et le gaz dans un environnement à gradient élevé de température. Pour obtenir cela, la valeur du coefficient actuel de transfert de chaleur (entre le gaz et la gouttelette) utilisée dans ces modèles est obtenue à partir de corrélations semi-empiriques telles que les équations de Ranz-Marshall ou de Whitaker. Malheureusement, la plupart des conditions de pulvérisation de métal se trouvent en dehors de l’enveloppe expérimentale dans laquelle ces corrélations ont été dérivées. Par conséquent, ce document a deux objectifs: premièrement, développer une technique expérimentale fiable et contrôlée par laquelle le transfert de chaleur à partir d’une gouttelette à haute température vers un gaz significativement plus froid peut être établi et, deuxièmement, déterminer la validité tant des corrélations de Ranz-Marshall que de Whitaker sous ces conditions. On a développé une technique expérimentale afin de conduire une série de tests de trempe en utilisant des gouttelettes d’aluminium AA6061 et de magnésium AZ91D tombant dans une atmosphère froide d’azote et d’argon, respectivement. On a formulé un modèle de transfert de chaleur en tenant compte des gradients étendus de température gouttelette-gaz que l’on trouve typiquement dans les opérations de traitement métallurgique. On a déterminé qu’une corrélation de Whitaker modifiée fournissait le meilleur accord avec les données expérimentales étant donné que les nombres de Reynolds et de Prandtl ont été évalués à la température du gaz d’écoulement libre et la conductivité du gaz du nombre de Nusselt, à la température de surface de la gouttelette.