К вопросу удаления водорода из металла в вакууматоре циркуляционного типа Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

новыми процессными моделями и новым человеко-машинным интерфейсом для повышения эффективности производства.

7. Arvedi предлагает технологию непрерывного производства полосы.

Список литературы

1. P.Marcus, K.Kirsis; Steel Success Strategies XXIX, 2014, World Steel Dynamics.

2. G. Wimmer et al; Jet Process for highest converter input flexibility; AISTech 2014, USA.

Сведения об авторах

Андреас Флик - Primetals Technologies, Австрия, Линц.

3. D. Bettinger, G. Enickl; Innovative Waste Heat Recovery Solutions; ESTAD'14, Paris.

4. EAF Quantum; The future of efficient steelmaking; Siemens VAI Brochure, 2014.

5. PRECON; Press release Siemens News Center, 11.Dec. 2014.

6. G. Wimmer, H.Wulfer et al.; BOF Converter Slag Valorization; AISTech 2014, USA.

7. The new pure.hmi for the metal industry; Siemens VAI Brochure, 2014.

8. A. Jungbauer et al; Next Arvedl ESP installations in China: High-Quality, ultra-thin strip to enter new markets; AIS Tech 2014.

9. S. Bragin, J. Watzinger, et al; Influence of thin slab thickness on final strip properties in Arvedi ESP Plant; ECCC 2014.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

HOW INNOVATION INCRESES COMPETITIVNESS IN STEELMAKING

Andreas FLICK - Primetals Technologies, Austria GmbH, A-4031, Linz, Austria.

Abstract. What can we do to increase our customer's value? Which developments and technologies will seta trend? How will Steelmaking look like in the next decades? At Primetals questions like these are constantly asked during the technology & innovation process to maintain our position as a leading lifecycle partner. Within today's global business scenario, innovations can no longer focus only on the technological merits of an invention, but must consider the aspects of organization/process as well as the mar-ketsituation.

Keywords: jet process quantum EAF, PRECON, bio Fermentation, steel expert, HMI, arvedi ESP.

♦ ♦ ♦

УДК 669

Метелкин А.А., Шешуков О.Ю., Некрасов И.В., Шевченко О.И., Корогодский А.Ю.

К ВОПРОСУ УДАЛЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ МЕТАЛЛА В ВАКУУМАТОРЕ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ТИПА

Аннотация. Рассмотрен вопрос удаления водорода с поверхности жидкого металла в циркуляционном вакууматоре. Процесс удаления водорода с поверхности металла в вакуум-камере циркуляционного вакууматора длителен и происходит медленно. Расчеты показывают, что удаление водорода с поверхности металла в вакуум-камере циркуляционного вакууматора недостаточно для получения низкого остаточного содержания водорода.

Ключевые слова: удаление водорода, циркуляционный вакууматор, дегазация металла.

В настоящее время требования к качеству вакуу-мированного металла возрастает. Возможно, это связано с повышением требований к качеству выплавляемой стали.

На металлургических заводах в основном используют вакууматоры циркуляционного и ковшевого типа, отличающиеся как конструкцией, так и способом вакуумирования. В зависимости от технологической цепочки выплавки стали и поставленных задач используют тот или иной тип вакууматора.

Несмотря на распространенность данных агрега-

© Метелкин А.А, Шешуков О.Ю., Некрасов И.В., Шевченко О.И., Корогодский А.Ю., 2016

тов, теоретические вопросы изучены недостаточно глубоко [1-4]. В особенности это касается циркуляционного вакуумирования.

Известно, что удаление газов возможно по следующим путям (рис. 1 [2]):

1. Первый путь - это непосредственный переход водорода из металла в окружающее пространство.

2. Второй путь - это образование пузырей газа в металле и их непосредственное всплытие.

3. Третий путь - это зарождение пузырей водорода на границе огнеупорной кладки с металлом.

4. Четвертый путь - удаление водорода при продувке металла нейтральным газом, например аргоном.

Раздел 3

Рис. 1. Пути удаления водорода из металла

Известно, что удаление газов при циркуляционном вакуумировании идет двумя путями - это удаление с поверхности металла и транспортирующим газом, вдуваемым во впускной патрубок (рис. 2) [1]. Однако до конца не выявлено, какой из представленных механизмов является преобладающим.

Цель данной работы является определение количества водорода, удаляемого с поверхности металла в вакуум-камере.

На первоначальном этапе рассчитаем скорость всплытия пузырьков водорода. Цель данных расчетов заключается в установлении зоны дегазации с поверхности вакуум-камеры.

Удаленне водорода механизм - 1

Удаление водорода механизм - 4

в пузыре соответствует давление насыщения р - равновесное давление, которое устанавливается в зависимости от концентраций соответствующих элементов [2]. Поэтому справедливо следующее выражение [2]:

и 2-8

р = Р + р- % - h +-, (1)

Гк

где Р - внешнее давление, ат;

- давление столба металла, ат;

2-8

- - капиллярное давление, ат.

Гк

Из уравнения (1) можно рассчитать критический радиус пузыря водорода, а также глубину его зарождения [2].

Зависимость глубины зарождения пузырьков водорода от его содержания в стали показана на рис. 3.

Выяснилось, что при глубине, близкой к «критической», т.е. глубине зарождения, их размер из-за влияния поверхностного натяжения должен быть необычайно большим (например, более 5 см), что на практике не наблюдается. Поэтому данный вопрос, возможно, требует дополнительного исследования.

Скорость всплывания пузырьков газа зависит от их диаметра. По данным [4], для расчета скорости всплывания (м/с) при диаметре пузырей газа от 0,75 до 20 мм можно использовать следующую формулу:

1

' 8

£ ■ гк + -

W =

п

V

Рж ■ Гк

2

(2)

где Гк - радиус всплывающего пузыря, м;

5 - величина межфазного натяжения, по данным [4] для жидкого металла принимаем 1,85 Дж/м2

Скорость всплывания пузырей газа в зависимости от глубины их зарождения находится в интервале от 0,318 до 0,5 м/с.

Рассчитав скорость всплытия пузырьков газа, приступим к решению второго этапа - расчета удаления водорода поверхности вакуум-камеры во времени.

Удаление водорода в циркуляционном вакуума-торе, по данным [2], описывается уравнением:

(4'- с,)

(3)

Тогда конечное содержание водорода сЕ) будет

равно

сЕ )= Ср +(с0Е - Ср ).,

-р-х

(4)

Рис. 2. Схема удаления водорода в вакуум-камере циркуляционного типа

Зародыши газовых пузырей способны к росту только в том случае, если их внутреннее давление, по крайней мере, равно внешнему. Внутреннему давлению

,(') _

где сЕ - концентрация газа в металле, втекающем в вакуумную камеру в момент времени t=t, ррт; с? - концентрация газа в металле, втекающем в вакуумную камеру в момент времени t=0, ррт;

cp - равновесная концентрация газа в металле в

F - поверхность дегазации порций металла, см2.

вакуум-камере, ppm;

t - время обработки металла, с.

f

в =

V - 'I

V V

—+ -

V

к ■ F

(5)

где V - объем металла в сталеразливочном ковше;

V - объем металла, находящегося в вакуумной камере, доли ед.;

V - объем металла, протекающего в единицу времени, доли ед.;

*

с EMBED Equation.3 к - коэффициент

Следует отметить, что V существенно зависит от содержания водорода, т.е. при снижении содержания водорода объем поверхностного вакуумированного металла будет уменьшаться, что необходимо учитывать при расчетах.

Используя формулу (3), рассчитаем скорость удаления водорода с поверхности вакуум-камеры. Данные представлены на рис. 4.

Удаление водорода в вакуум-камере циркуляционного вакууматора по данным [4] и расчетное удаление водорода только с поверхности вакуум-камеры представлено на рис. 5.

Содержание водорода б металле,

Рис. 3. Глубина зарождения пузырьков водорода в зависимости от его содержания в металле

Рис. 4. Расчетное изменение содержания водорода в стали с поверхности металла при вакуумировании на КН-установке

в зависимости от времени обработки

Раздел 3

Рис. 5. Изменение содержания водорода в стали при вакуумировании в КН-установке в зависимости

от кратности циркуляции:

1 - удаление только с поверхности; 2 - комбинированное, удаление с поверхности и пузырьками транспортирующего газа

Выводы:

1. Процесс удаления водорода с поверхности металла в вакуум-камере циркуляционного вакуума-тора длителен и происходит медленно.

2. Удаление водорода с поверхности металла в вакуум-камере циркуляционного вакууматора недостаточно для получения низкого остаточного содержания водорода (после 45 мин обработки вакуумом содержание [Н] изменилось с 4 до 2,5 ррт).

Список литературы

Бигеев А.М., Бигеев В.А. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. Магнитогорск: МГТУ, 2000. 544 с. Кнюппель Г. Раскисление и вакуумная обработка стали. Термодинамические и кинетические закономерности. М. : Металлургия, 1973. 312 с.

Кнюппель Г. Раскисление и вакуумная обработка стали. Основы и технология ковшовой металлургии. М. : Металлургия, 1984. 414 с.

Гизатулин Р.А., Дмитриенко В.И. Внепечные и ковшевые процессы обработки стали: учеб. пособие для вузов. Новокузнецк: СибГИУ, 2006. 181 с.

Попель И.С. Поверхностные явления в расплавах. М.: Металлургия, 1994. 432 с.

2

3

4

5

Сведения об авторах

Шешуков Олег Юрьевич - д-р техн. наук, зав. лабораторией пирометаллургии черных металлов ИМЕТ УрО РАН, Екатеринбург, Россия. Тел. (343) 2679715. E-mail: [email protected].

Некрасов Илья Владимирович - канд. техн. наук, ст. науч. сотр. лаборатории пирометаллургии черных металлов ИМЕТ УрО РАН, Екатеринбург, Россия. Тел. (343) 2329019. E-mail: [email protected].

Метелкин Анатолий Алексеевич - ассистент кафедры металлургии железа и сплавов Уральского федерального университета им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина (филиал - Нижнетагильский технологический институт), Россия. Тел. (343) 2679715. E-mail: [email protected].

Корогодский Алексей Юрьевич - главный специалист ОАО «ЕВРАЗ НТМК», Нижний Тагил, Россия.

Шевченко Олег Игоревич - д-р техн. наук, проф., начальник отдела металлургических технологий, Нижнетагильский технологический институт (филиал) Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Нижний Тагил, Россия.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

ABOUT HYDROGEN REMOVAL FROM METAL IN CIRCULAR TYPE DEGASSER

Sheshukov Oleg Jurevich - D.Sc. (Eng.), Manager of Laboratory of ferrous metals, IMET UB RAS, Ekaterinburg, Russia. Phone: (343) 2679715. E-mail: [email protected]

Nekrasov Ilya Vladimirovich - Ph.D (Eng.), scientific employee of Laboratory of ferrous metals, IMET UB RAS, Ekaterinburg, Russia. Phone: (343) 2329019. E-mail: [email protected]

Metelkin Anatoly Alekseevich - Assistant, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N.Yeltsin (branch - Technology Institute of Nizhniy Tagil), Russia. Phone: (343) 2679715. E-mail: [email protected]

Korogodskii Alexey Yurevich - main specialist, office steel secondary treatment, technical management of JSC «EVRAZ NTMK», Nizhny Tagil, Russia

Shevchenko Oleg Igorevich - D.Sc. (Eng.), Professor, Head of Department of Metallurgical Technology, the Ural Federal University. First President of Russia BN Yeltsin Nizhny Tagil Institute of Technology (Branch), Nizhny Tagil, Russia

Abstract. Problem of hydrogen removal from the surface of liquid metal in circular type degasser is studied. Calculations show that hydrogen removal from the surface of liquid metal in circular type degasser is not enough for require final hydrogen content achievement.

Keywords: hydrogen removal, circular type degasser, metal degassing.

♦ ♦ ♦