blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-8-543-549blackmet-2154Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESИзучение процесса удаления водорода в циркуляционном вакууматоре в условиях КЦ­2 ПАО «НЛМКHydrogen removal in circulating vacuum degasser under conditions of PJSC “NLMK”ПлешивцевК. Н.PleshivtsevK. N.

 Константин Николаевич Плешивцев, начальник участка конвертерного цеха № 2

398040, Липецк, пл. Металлургов, 2 

 Konstantin N. Pleshivtsev, Head of the Section of Converter Shop No. 2 

2 Metallurgov Sqr., Lipetsk 398040

Pleshivtsev_kn@nlmk.comШешуковО. Ю.SheshukovO. Yu.

 Олег Юрьевич Шешуков, д.т.н., профессор, директор Института новых материалов и технологий, главный научный сотрудник лаборатории порошковых, композиционных и наноматериалов

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 28 

 Oleg Yu. Sheshukov, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director of the Institute of New Materials and Technologies, Chief Researcher of the Laboratory of Powder, Composite and Nano-Materials 

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002

 28 Mira Str., Yekaterinburg 620002 

o.j.sheshukov@urfu.ruМетелкинА. А.MetelkinA. A.

 Анатолий Алексеевич Метелкин, к.т.н., старший преподаватель кафедры металлургической технологии

622031, Свердловская обл., Нижний Тагил, Красногвардейская ул., 59

 Anatolii A. Metelkin, Cand. Sci. (Eng.), Senior Lecturer of the Chairof Metallurgical Technology 

 59 Krasnogvardeyskaya Str., Nizhny Tagil, Sverdlovsk Region 622031 

anatoliy82@list.ruШевченкоО. И.ShevchenkoO. I.

 Олег Игоревич Шевченко, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой металлургической технологии

622031, Свердловская обл., Нижний Тагил, Красногвардейская ул., 59

 Oleg I. Shevchenko, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Chair of Metallurgical Technology 

 59 Krasnogvardeyskaya Str., Nizhny Tagil, Sverdlovsk Region 622031 

Shevchenko-OI@ntiustu.ruПАО «Новолипецкий металлургический комбинат»РоссияPJSC “Novolipetsk Metallurgical Plant”Russian FederationУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт металлургии УрО РАНРоссияUral Federal University named after the frst President of Russia B.N. Yeltsin; Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНижнетагильский институт (филиал) Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияNizhny Tagil Institute (Branch) of the Ural Federal University named after the frst President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation202101092021648543549Copyright © Плешивцев К.Н., Шешуков О.Ю., Метелкин А.А., Шевченко О.И., 20212021Плешивцев К.Н., Шешуков О.Ю., Метелкин А.А., Шевченко О.И.Pleshivtsev K.N., Sheshukov O.Y., Metelkin A.A., Shevchenko O.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2154

Для выплавки высококачественной стали необходимо поэтапное производство в металлургических агрегатах, способных к выпуску продукции с высокими эксплуатационными свойствами и низким содержанием вредных примесей. Одной из вредных примесей является водород и важно ограничить его содержание в металле. Для обеспечения заданного содержания водорода металл на участке внепечной обработки стали КЦ­2 ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат» подвергают обработке вакуумом в установке циркуляционного вакуумирования. Несмотря на распространенность циркуляционных вакууматоров, теоретически механизм удаления водорода в этих металлургических агрегатах изучен недостаточно. Для повышения эффективности удаления водорода проведены теоретические расчеты по удалению его из металла. Существует несколько механизмов удаления водорода: непосредственный переход водорода из металла в окружающее пространство; образование пузырей газа в металле и их непосредственное всплытие; зарождение пузырей водорода на границе огнеупорной кладки с металлом; удаление водорода при продувке металла нейтральным газом (аргоном). Показано, что основными путями удаления водорода в установке циркуляционного вакууумирования являются непосредственный переход водорода из металла в окружающее пространство и продувка расплава транспортирующим газом. В конвертерном цехе № 2 ПАО «НЛМК» на установке циркуляционного вакуумирования реализуются оба пути. Вакуумные насосы обеспечивают давление в вакуум­камере менее 101,3 Па (0,001 атм.). Это способствует интенсивному удалению водорода с поверхности металла. Для обеспечения циркуляции металла во впускной патрубок установки RH подается транспортирующий газ аргон, который также принимает участие в удалении растворенных газов путем перехода водорода в пузырьки нейтрального газа. Дополнительно проведенные расчеты показали, что основной путь дегазации в условиях КЦ­2 ПАО «НЛМК» – это удаление водорода в пузырьки транспортирующего газа.

For high­quality steel smelting, stage­by­stage production is required, which has a complex of metallurgical units capable for producing products with high performance properties and low content of harmful impurities. One of the harmful impurities is hydrogen, so it is important to limit its content in the metal. To ensure the specifed hydrogen content, the metal in the steel out­of­furnace treatment at Converter Shop No. 2 (CS­2) of PJSC “Novolipetsk Metallurgical Plant” (“NLMK”) is subjected to vacuum treatment in a circulating vacuum degasser. Despite the prevalence of circulating vacuum derassers, theoretically, mechanism of hydrogen removal in these metallurgical units has been insufciently studied. To increase efciency of hydrogen removal, theoretical calculations were performed to remove it from the metal. There are several mechanisms for hydrogen removing: direct transfer of hydrogen from metal to the surrounding space; formation of gas bubbles in metal and their direct ascent; nucleation of hydrogen bubbles at the border of refractory wall and metal; removal of hydrogen by metal blowing with neutral gas (argon). It is shown that the main ways of hydrogen removal in a circulating vacuum degasser are direct transfer of hydrogen from metal to the surrounding space and blowing of melt with transporting gas. In the CS­2 of PJSC “NLMK”, both ways are implemented at a circulating vacuum degasser. Vacuum pumps provide pressure in a vacuum chamber of less than 101.3 Pa (0.001 atm.). It promotes intensive removal of hydrogen from the metal surface. To ensure circulation of metal, transporting gas argon is supplied to the inlet pipe of the RH degasser, which also takes part in removal of dissolved gases by transferring hydrogen to neutral gas bubbles. Additionally, performed calculations have shown that the main way of degassing in conditions of CS­2 of PJSC “NLMK” is removal of hydrogen into the bubbles of carrier gas.

удаление водородациркуляционный вакууматорвнепечная обработка сталидегазацияhydrogen removalcirculating vacuum degasserout­of­furnace steel treatmentdegassingReferencesБигеев А.М. Бигеев В.А. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали. Магнитогорск: МГТУ, 2000. 544 с.Bigeev A.M., Bigeev V.A. Metallurgy of Steel. Theory and Technology of Steel Smelting. Magnitogorsk: MSTU, 2000, 544 p. (In Russ.).Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. Производство стали. Т. 3. Внепечная металлургия стали. М.: Теплотехник, 2008. 544 с.Dyudkin D.A., Kisilenko V.V. Production of Steel. Vol. 3. Out-offurnace Metallurgy of Steel. Moscow: Teplotekhnik, 2008, 544 p. (In Russ.).Шаповалов В.И., Трофименко В.В. Флокены и контроль водорода в стали. М.: Металлургия, 1987. 160 с.Shapovalov V.I., Trofmenko V.V. Flakes and Hydrogen Control in Steel. Мoscow: Metallurgiya, 1987, 160 p. (In Russ.).Ardelean E., Hepuț T., Vătășescu M., Crișan E. Researches regarding the influence of vacuum parameters on the efciency of gas removal from the liquid steel // Solid State Phenomena. 2016. Vol. 254. P. 218–223. https://doi.org/10.4028/www.scientifc.net/SSP.254.218Ardelean E., Hepuț T., Vătășescu M., Crișan E. Researches regarding the influence of vacuum parameters on the efciency of gas removal from the liquid steel. Solid State Phenomena. 2016, vol. 254, pp. 218–223. https://doi.org/10.4028/www.scientifc.net/SSP.254.218Socalici A., Popa E., Heput T., Drăgoi F. Researches regarding the improvement of the steel quality // Solid State Phenomena. 2014. https://doi.org/10.4028/www.scientifc.net/SSP.216.273Socalici A., Popa E., Heput T., Drăgoi F. Researches regarding the improvement of the steel quality. Solid State Phenomena. 2014, vol. 216, pp. 273–278. https://doi.org/10.4028/www.scientifc.net/SSP.216.273Yu S., Miettinen J., Louhenkilpi S. Numerical study on the removal of hydrogen and nitrogen from the melt of medium carbon steel in vacuum tank degasser // Materials Science Forum. 2013. Vol. 762. P. 253–260. https://doi.org/10.4028/www.scientifc.net/MSF.762.253Yu S., Miettinen J., Louhenkilpi S. Numerical study on the removal of hydrogen and nitrogen from the melt of medium carbon steel in vacuum tank degasser. Materials Science Forum. 2013, vol. 762, pp. 253–260. https://doi.org/10.4028/www.scientifc.net/MSF.762.253Steneholm K., Andersson M., Tilliander A., Jönsson P.G. Removal of hydrogen, nitrogen and sulphur from tool steel during vacuum degassing // Ironmaking & Steelmaking. 2013. Vol. 40. No. 3. P. 199–205. https://doi.org/10.1179/1743281212Y.0000000029Steneholm K., Andersson M., Tilliander A., Jönsson P.G. Removal of hydrogen, nitrogen and sulphur from tool steel during vacuum degassing. Ironmaking & Steelmaking. 2013, vol. 40, no. 3, pp. 199–205. https://doi.org/10.1179/1743281212Y.0000000029Fábián E.R., Dévényi L. Hydrogen in the plastic deformed steel // Materials Science Forum. 2007. Vol. 537­538. P. 33–40. https://doi.org/10.4028/0-87849-426-x.33Fábián E.R., Dévényi L. Hydrogen in the plastic deformed steel. Materials Science Forum. 2007, vol. 537­538, pp. 33–40. https://doi.org/10.4028/0-87849-426-x.33Barannikova S.A., Lunev A.G., Nadezhkin M.V., Zuev L.B. Effect of hydrogen on plastic strain localization of construction steels // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 880. P. 42–47. http://doi.org/10.4028/www.scientifc.net/AMR.880.42Barannikova S.A., Lunev A.G., Nadezhkin M.V., Zuev L.B. Effect of hydrogen on plastic strain localization of construction steels. Advanced Materials Research. 2014, vol. 880, pp. 42–47. http://doi.org/10.4028/www.scientifc.net/AMR.880.42Морозов А.Н. Водород и азот в стали. М.: Металлургия, 1968. 283 с.Morozov A.N. Hydrogen and Nitrogen in Steel. Moscow: Metallurgiya, 1968, 283 p. (In Russ.).Ефимов С.В. Технологические аспекты удаления водорода с использованием установки ковшевого вакуумирования стали. В кн.: Конвертерное производство стали. Сб. науч. тр. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. С. 203–207.Efmov S.V. Technological aspects of hydrogen removal using a ladle vacuum degasser for steel. In: Converter Steelmaking. Coll of Sci. Papers. Yekaterinburg: UB RAS, 2003, pp. 203–207. (In Russ.).Кнюппель Г. Раскисление и вакуумная обработка стали. Основы и технология ковшовой металлургии / Пер. с нем. М.: Металлургия, 1984. 414 с.Knüppel H. Desoxydation und Vakuumbehandlung von Stahlschmelzen. Bd. 2, Grundlagen und verfahren der Pfannenmetallurgie. Düsseldorf: Verl. Stahleisen, 1983. (In Germ.). (Russ. ed.: Knyuppel’ G. Raskislenie i vakuumnaya obrabotka stali. Osnovy i tekhnologiya kovshovoi metallurgii. Moscow: Metallurgiya, 1984, 414 p.).Кнюппель Г. Раскисление и вакуумная обработка стали. Термодинамические и кинетические закономерности / Пер. с нем. М.: Металлургия, 1973. 312 с.Knüppel H. Desoxydation und Vakuumbehandlung von Stahlschmelzen. Bd. 1. Thermodynamische und kinetische Grundlagen. Düsseldorf: Verl. Stahleisen, 1983. (In Germ.) (Russ. ed.: Knyuppel’ G. Raskislenie i vakuumnaya obrabotka stali. Termodinamicheskie i kineticheskie zakonomernosti. Moscow: Metallurgiya, 1973, 312 p. (In Russ.).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 // Теория и технология металлургического производства. 2016. № 1 (18). С. 29–33.Metelkin A.A., Sheshukov O.Yu., Nekrasov I.V., Shevchenko O.I., Korogodskii A.Yu. On removing hydrogen from metal in a circulating vacuum degasser. Teoriya i tekhnologiya metallurgicheskogo proizvodstva. 2016, no. 1 (18), pp. 29–33. (In Russ.).Селиванов В.Н., Буданов Б.А., Аланкин Д.В. Кинетическая модель удаления водорода при циркуляционном вакуумировании стали // Теория и технология металлургического производства. 2013. № 1 (13). С. 31–33.Selivanov V.N., Budanov B.A., Alankin D.V. Kinetic model of hydrogen removal during circulation vacuum degassing of steel. Teoriya i tekhnologiya metallurgicheskogo proizvodstva. 2013, no. 1 (13), pp. 31–33. (In Russ.).Минаев Ю.А., Яковлев В.В. Физико­химия в металлургии. (Термодинамика. Гидродинамика. Кинетика). М.: МИСИС, 2001. 320 с.Minaev Yu.A., Yakovlev V.V. Physical Chemistry in Metallurgy (Thermodynamics. Hydrodynamics. Kinetics). Мoscow: NUST “MISIS”, 2001, 320 р. (In Russ.).Гизатулин Р.А., Дмитриенко В.И. Внепечные и ковшевые процессы обработки стали. Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2006. 181 с.Gizatulin R.A., Dmitrienko V.I. Out-of-Furnace and Ladle Processing of Steel. Novokuznetsk: izd. SibSIU, 2006, 181 p. (In Russ.).Hupfer P., Abratis H., Maas H., Manfred M. Strömungsmechanische und reaktionskinetische Vorgänge bei der Vakuumbehandlung von flüssigem Stahl nach dem Umlaufverfahren // Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1971. Bd. 42. Nb. 11. S. 761–767. https://doi.org/10.1002/srin.197102663Hupfer P., Abratis H., Maas H., Manfred M. Strömungsmechanische und reaktionskinetische Vorgänge bei der Vakuumbehandlung von flüssigem Stahl nach dem Umlaufverfahren. Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1971, vol. 42, no. 11, pp. 761–767. (In Germ.). https://doi.org/10.1002/srin.197102663Yamaguchi K., Kishimoto Y., Sakuraya T., Fujii T., Aratani M., Nishikawa H. Effect of refning conditions for ultra low carbon steel on decarburization reaction in RH degasser // ISIJ International. 1992. Vol. 32. No. 1. Р. 126–135. https://doi.org/10.2355/isijinternational.32.126Yamaguchi K., Kishimoto Y., Sakuraya T., Fujii T., Aratani M., Nishikawa H. Effect of refning conditions for ultra low carbon steel on decarburization reaction in RH degasser. ISIJ International. 1992, vol. 32, no. 1, pp. 126–135. https://doi.org/10.2355/isijinternational.32.126Young­Geun Park, Won­Chul Doo, Kyung­Woo Yi, Sang­Bok An. Numerical calculation of circulation flow rate in the degassing rheinstahl­heraeus process // ISIJ International. 2000. Vol. 40. No. 8. Р. 749–755. https://doi.org/10.2355/isijinternational.40.749Young­Geun Park, Won­Chul Doo, Kyung­Woo Yi, Sang­Bok An. Numerical calculation of circulation flow rate in the degassing Rheinstahl­Heraeus process. ISIJ International. 2000, vol. 40, no. 8, pp. 749–755. https://doi.org/10.2355/isijinternational.40.749Young­Geun Park, Kyung­Woo Yi, Sang­Bog Ahn. The effect of operating parameters and dimensions of the RH system on melt circulation using numerical calculations // ISIJ International. 2001. Vol. 41. No. 5. Р. 403–409. https://doi.org/10.2355/isijinternational.41.403Young­Geun Park, Kyung­Woo Yi, Sang­Bog Ahn. The effect of operating parameters and dimensions of the RH system on melt circulation using numerical calculations. ISIJ International. 2001, vol. 41, no. 5, pp. 403–409. https://doi.org/10.2355/isijinternational.41.403Kato Y., Fujii T., Suetsugu S., Ohmiya S., Aizawa K. Effect of geometry of vacuum vessel on decarburization rate and fnal carbon content in RH degasser // Tetsu­to­Hagane. 1993. Vol. 79. No 11. P. 1248–1253.https://doi.org/10.2355/tetsutohagane1955.79.11_1248Kato Y., Fujii T., Suetsugu S., Ohmiya S., Aizawa K. Effect of geometry of vacuum vessel on decarburization rate and fnal carbon content in RH degasser. Tetsu-to-Hagane. 1993, vol. 79, no 11, pp. 1248–1253.https://doi.org/10.2355/tetsutohagane1955.79.11_1248Takahashi M., Matsumoto H., Saito T. Mechanism of decarburization in RH degasser // ISIJ International. 1995. Vol. 35. No. 12. Р. 1452–1458. https://doi.org/10.2355/isijinternational.35.1452Takahashi M., Matsumoto H., Saito T. Mechanism of decarburization in RH degasser. ISIJ International. 1995, vol. 35, no. 12, pp. 1452–1458. https://doi.org/10.2355/isijinternational.35.1452Kitamura T., Miyamoto K., Tsujino R., Mizoguchi S., Kato K. Mathematical model for nitrogen in vacuum degasser desorption and decarburization reaction in vacuum degasser // ISIJ International. 1996. Vol. 36. No. 4. Р. 395–401. https://doi.org/10.2355/isijinternational.36.395Kitamura T., Miyamoto K., Tsujino R., Mizoguchi S., Kato K. Mathematical model for nitrogen in vacuum degasser desorption and decarburization reaction in vacuum degasser. ISIJ International. 1996, vol. 36, no. 4, pp. 395–401. https://doi.org/10.2355/isijinternational.36.395Ono K., Yanagida M., Katoh T., Miwa M., Okamoto T. The Circulation Rate of RH­Degassing Process by Water Model Experiment // Denki Seiko. 1981. Vol. 56. No. 7. P. 149–157.Ono K., Yanagida M., Katoh T., Miwa M., Okamoto T. The circulation rate of RH­degassing process by water model experiment. Denki Seiko. 1981, vol. 56, no. 7, pp. 149–157.Темберген Д., Теворт Р., Робей Р. Обработка стали в ковше с использованием технологии циркуляционного вакуумирования // Металлургическое производство и технология. 2007. № 2. С. 12–16.Tembergen D., Tevort R., Robei R. Treatment of steel in a ladle using technology of circulating vacuum degassing. Metallurgicheskoe proizvodstvo i tekhnologiya. 2007, no. 2, pp. 12–16. (In Russ.).Кудрин В.А. Теория и технология производства стали. М.: Мир, ООО «Издательство ACT», 2003. 528 с.Kudrin V.A. Theory and Technology of Steelmaking. Мoscow: Mir, AST, 2003, 528 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.