hidrogenul În oȚeluri vidate turnate continuu · unei încărcături de bună calitate, fără...

H D - 4 9 - S T U D , „ 4 9 d e a n i d e î n v ă ţ ă m â n t s u p e r i o r h u n e d o r e a n ”

HIDROGENUL ÎN OȚELURI VIDATE TURNATE CONTINUU

AUTOR: DRD. ING. RADU MIHAI

COORDONATOR: PROF. DR. ING. HEPUŢ TEODOR

AFILIERE AUTOR : UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMIŞOARA,

FACULTATEA DE INGINERIE HUNEDOARA COORDONATOR: UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMIŞOARA,

FACULTATEA DE INGINERIE HUNEDOARA

REZUMAT Hidrogenul este considerat o impuritate pentru produsele siderurgice, influența sa negativă

manifestându-se mai ales în oțel. Vidarea oțelului lichid, este soluția tehnologică cea mai utilizată pentru reducerea conținutului de hidrogen. În prezenta lucrare, se prezintă influența cumulată a parametrilor vidării (durata vidării și presiunea în instalație) asupra conținutului de hidrogen la terminarea vidării, precum și a randamentului de eliminare a acestuia. De asemenea se prezintă gradul de absorbție a hidrogenului in oțel pe traseul tehnologic ieșire din instalația de vidare(VD) –distribuitor (turnare continuă TC).

CUVINTE CHEIE: oțel, vidare, hidrogen, eliminare, absorbție

1. INTRODUCERE La elaborarea oțelului are loc un proces de difuziune a hidrogenului prin intermediul

zgurii în baia metalică, pe de o parte, iar pe de altă parte de trecere a acestuia din baie în atmosfera agregatului. Sensul în care decurg aceste procese, sunt determinate de mai mulți factori, și anume: calitatea materiilor prime și auxiliare (conținut de umiditate, uleiuri, materiale plastice etc), caracteristicile zgurilor utilizate, intensitatea și durata fierberii (o trecere directă a hidrogenului în stropi de oțel, sau în baia metalică dacă pe anumite micropsuprafețe rămâne neacoperită de zgură), temperatura băii metalice, conținutul acestuia în baia metalică și în atmosfera agregatului, durata evacuării, timpul de staționare în oală, valorile parametrilor de procesare în oala de turnare (LF, VD), etc [1-2].

Indiferent de procesul de elaborare (actualmente cuptor cu arc electric, convertizor cu oxigen, cuptor electric cu inducție), turnare (continuă sau lingou) și laminare a oțelului, în structura acestuia rămâne prins, chiar și în cantități foarte mici ca impuritate, pe lângă incluziuni nemetalice și hidrogen.

Influenţa negativă a hidrogenului se manifestă prin aceea că: poate forma sufluri în oţelurile calmate, micşorează plasticitatea şi tenacitatea oţelului, contribuie la defectul denumit ”fulgi” în oţelurile aliate cu crom, nichel și molibden, care reduc substanţial rezistenţa la oboseală a pieselor de oţel şi afectează proprietăţile electrice şi magnetice ale oţelurilor. Pentru producerea oţelurilor cu conţinut cât mai redus de hidrogen pe fluxul tehnologic de fabricaţie trebuie luate o serie de măsuri dintre care amintim [3-6]: utilizarea unei încărcături de bună calitate, fără umiditate, uleiuri, materiale plastice, cu adaosuri calcinate, var proaspăt ars, tratarea oţelului în vid, încălzirea corespunzătoare a utilajului de turnare (oală de turnare, distribuitor), utilizarea unor prafuri de turnare (distribuitor și cristalizor) de calitate superioară (din componente calcinate).

În cursul elaborării oţelului un rol foarte important în procesul de degazare îl are fierberea băii metalice, generată de degajarea bulelor de {CO}. În momentul formării acestor bule de {CO} presiunea parţială a hidrogenului, este practic nulă şi de aceea acesta difuzează


în interiorul acestor bule, sub acţiunea gradienţilor de concentraţie, fiind apoi antrenat în afara băii [1,6]. Pentru ca viteza de eliminare a hidrogenului (valabil și pentru azot) din baia de oţel să fie mai mare decât viteza lor de trecere prin zgură în baia metalică şi deci, conţinutul acestuia să scadă, este necesar ca viteza de decarburare să fie suficient de mare pentru a depăşi o anumită valoare critică, care să determine presiuni în bula de {CO} superioare presiunii ferostatice [1,2].

Referitor la oţelăriile electrice echipate cu cuptoare cu arc electric de tip EBT (Excentric Bottom Tapping), acestea asigură condiţii foarte bune pentru reducerea hidrogenului în baia de oţel, prin realizarea unei viteze mari de fierbere a băii metalice ca urmare a suflării intense de oxigen și spumării zgurii [1,2,5]. În prezent toate oțelăriile electrice din Romania sunt echipate cu cuptoare cu arc electric tip EBT, instalații de procesare a oțelului lichid în oala de turnare cu aport de căldură de tip L.F. (Ladle-Furnace) şi de vidare fără aport de căldură V.D. (vidare- degazare) și mașini de turnare continuă a oțelului.

2. EXPERIMENTĂRI INDUSTRIALE. PRELUCRAREA DATELOR

2.1. Cadrul experimental

În cadrul cercetărilor efectuate şi a căror rezultate sunt prezentate în lucrare, s-a urmărit posibilităţile de reducere a conţinutului de hidrogen din oţelurile destinate fabricaţiei de ţevi utilizate în transportul hidrocarburilor.

Cercetările s-au efectuat pentru un oțel marca G52S(N), elaborat la o oţelărie electrică, echipată cu un cuptor electric cu arc tip EBT de capacitate 100t, instalaţie LF, instalaţie VD şi instalaţie de turnare continuă cu 5 fire, au avut drept scop stabilirea posibilităților de reducere a conținutului de hidrogen din oțel, fiind urmărite pe fluxul tehnologic de elaborare un număr de 51 de şarje etapă cu etapă, și anume:

- elaborare în cuptor: încărcătura de bună calitate, fără fier vechi cu uleiuri, umiditate, rugină sub cca 2%, var proaspăt ars, minereul de fier calcinat, oala de turnare încălzită corespunzător;

- tratarea in instalațiile LF și VD: respectarea limitelor de variație a parametrilor tehnologici (încălzire, barbotare), adausuri fără umiditate (pentru formarea zgurii și aliere), omogenizare chimică și termica prin barbotare cu argon urmate de tratamentul in instalația de vidare fără aport de căldură VD, la turnare oală încălzită corespunzător și la fel distribuitorul;

- respectarea parametrilor turnării continue: viteza de turnare corelată cu temperatura de turnare, debitul şi presiunea apei de răcire pe fiecare zonă de răcire [12].

Pe baza analizei tehnologie au fost selectate un număr de 45 de șarje, parametri analizați, limitele de variație, precum și valorile medii a acestora sunt prezentate în Tabelul 1.

Prin prelucrarea datelor în programele de calcul EXCEL și MATLAB au fost obținute între parametri dependenţi si cei independenţi ecuaţii de corelaţie simple și multiple, rezultatele fiind prezentate atât sub formă analitică, cât si grafică.

Tabelul 1


O parte din rezultatele cercetărilor au fost publicate [12], iar altă parte fac obiectul

prezentei lucrări. În lucrarea [12] sunt prezentate influențele duratei totale a vidării, a duratei vidării sub vid avansat și a presiunii la vidare avansată asupra conținutului de hidrogen din oțel la terminarea vidării și a randamentului de eliminare a hidrogenului. Rezultatele sunt prezentate sub formă grafică și analitică si au fost obținute prin prelucrarea datelor în programele de calcul EXCEL (corelații simple) și MATLAB (corelații duble).

2.2. Corelații obținute in programele de calcul 2.2.1 Rezultate obținute in programul MATLAB În prezenta lucrare se prezintă analitic și grafic corelațiile triple. Datele privind

influența duratei totale a vidării, a duratei vidării sub vid avansat și a presiunii la vidare avansată asupra conținutului de hidrogen din oțel la terminarea vidării și a randamentului de eliminare a hidrogenului, au fost prelucrate în programul de calcul MATLAB în vederea obținerii unor corelații triple. Deoarece în spațiul tridimensional nu pot fi prezentate grafic corelații/suprafețe cu mai mult de doi parametri independenți pentru reprezentarea grafică în ecuațiile triple s-a inlocuit prin permutări un parametru dependent cu valoarea medie a acestui (fig.1-fig.6).

Ecuațiile triple sunt funcții polinomiale de forma: y=f(x1x2x3)

Nr. crt.

Parametri Unitate de

măsură

Valoare min. max. mediu

Dependenți

. Conținutul de hidrogen la terminarea

vidării,│H│f p

pm 1

,7 2

,1 1

,82

. Randamentul vidării, R H % 5

7,78 6

8,52 6

4,84

. Conținutul de hidrogen în

distribuitor,│H│d p

pm 1

,9 3

,5 2

,26

. Grad de absorție a hidrogenului (VD -

TC), Gabs.H % 2

6,18 5

8,82 2

6,18

Independenți

. Durata totală a vidării, Dt.v. m

in. 1

7 3

0 2

3,1

. Durata vidării sub vid avansat, Dv.a. m

in. 1

0 1

7 1

3,75

. Presiunea la vidare, Pv.a. m

in. 0

,8 1

,9 1

,06

. Diferența de temperatură (TC - VD),

DTTC - VD

0

C 3

1 7

5 5

2,29

. Durata menținerii oțelului în oală DMTC

- VD m

in. 2

6 8

6 5

6,93

. Temperatura oțelului la ieșire din VD,

TVD

0

C 1

591 1

635 1

618

. Temperatura oțelului lichid în

distribuitor, TD

0

C 1

535 1

592 1

565


y = a1x12+ a2x2

2+ a3x3

2+a4x1x2+ a5x1x3+ a6x2x3+a7x1+a8x2+a9x3+a10 (1)

[H]f =0.003909Dtv2+0,005512Dva

2-0,660384Pva2-0.010445DtvDva-0,055514DtvPva-

0,113811DvaPva +0,017024Dtv+0.209461Dva+4,351354 Pva -2,134248 (2)

R2 = 0.663899; R21 = 0.437030; R22 = 0.393478; R23 = 0.309940 Prin permutări se înlocuiesc: Dtv = 23,1 și rezultă o corelație cu variabiile Dva și Pva în fig. 1; Dva = 13,75 și rezultă o corelație cu variabiile Dtv și Pva în fig. 2; Pva = 1,06 și rezultă o corelație cu variabiile Dtv și Dva în fig. 3. RH=-0.075084Dtv

2-0,083858Dva2+13,27147Pva

2+0.179879DtvDva+0,911318DtvPva

+2,248089DvaPva +0,152759 Dtv-4,288621Dva -82,298553Pva +136,808709 (3)

R2 = 0.593953; R21 = 0.388153; R22 = 0.353876; R23 = 0.301510 Prin permutări se înlocuiesc: Dtv = 23,1 și rezultă o corelație cu variabiile Dva și Pva în fig. 4; Dva = 13,75 și rezultă o corelație cu variabiile Dtv și Pva în fig. 5; Pva = 1,06 și rezultă o corelație cu variabiile Dtv și Dva in fig. 6.

a b Ecuația dublă Dtv = Dtv.med =23,1 min; [H]f = 0,005512Dva

2 -0,660384Pva

2-0,113811DvaPva -0.031819Dva+3.068981 Pva+0.344887

(4) Fig.1 Corelația [H]f= f(Dva, Pva)


a b Ecuația dublă Dva = Dva.med =13,75 min; [H]f = 0.003909 Dtv 2-0,660384Pva

2 -0,055514DtvPva

-0.126595Dtv+2.786453 Pva + 1.887954 (5)

Fig. 2 Corelația [H]f=f(Dtv, Pva)

a b Ecuația dublă Pva = Pva.med =1,06mBar; [H]f = 0.003909 Dtv 2+0,005512Dva

2 - 0.010445DtvDva

-0,041824Dtv +0.088821 Dva +1.73618 (6)

Fig. 3 Corelația [H]f=(Dtv, Dva)


a b Ecuația dublă Dtv = Dtv.med = 23,1 min; RH = -0,083858Dva

2

+13,27147Pva2+2,248089DvaPva -0,133416Dva -61,247107Pva +100,271869

(7) Fig. 4 Corelația RH= f(Dva, Pva)

a b Ecuația dublă Dva = Dva.med = 13,75min; RH =- 0.075084 Dtv 2+13,27147Pva

2 +0,911318DtvPva

+2.320577Dtv -51,387329Pva+61,985767 (8) Fig. 5 Corelația RH=f(Dtv, Pva)


a b Ecuația dublă Pva = Pva.med = 1,06mBar; RH =- 0.075084 Dtv 2 -0,083858Dva

2 +0.179879DtvDva +1,11875Dtv-1,905647Dva +64,484067

(9) Fig. 6 Corelația RH=f(Dtv, Dva)

2.2.2 Rezultate obținute in programul de calcul EXCEL În continuare în fig 7-12 se prezintă rezultatele referitoare la conținutul de hidrogen

din oțelul din distribuitor și gradul de absorție a acestuia pe traseul tehnologic VD-TC, obținute prin prelucrarea datelor in programul EXCEL. Corelațiile obținute sunt prezentate atât grafic, cât și analitic sub formă polinomială (de gradul 2 și 3), exponețiale și logaritmice.

Fig. 7 Corelația │H│f = f(DMTC-VD)


Fig. 8 Corelația GabsH= f(DMTC-VD)

Fig. 9 Corelația │H│f =f(DTTC – VD)


Fig. 10 Corelația GabsH= f(DTTC – VD)

Fig. 11 Corelația GabsH= f(TVD)


Fig. 12 Corelația GabsH= f(TD)

3.ANALIZA TEHNOLOGICĂ A REZULTATELOR OBȚINUTE 3.1.Analiza tehnologică a rezultatelor obținute in programul MATLAB În cazul reprezentărilor grafice a corelațiilor duble (rezultate/derivate din corelațiile

triple), analiza tehnologică a acestora arată modul de inflență cumulată a doi parametri ai vidării asupra conținutului de hidrogen la finalul vidării, respectiv a randamentului de eliminare a acestuia, astfel:

- la o durată de tratament sub vid avansat de 13-15,5 min și presiunea în instalația de

vidare de sub 1mBar conținutul final de hidrogen scade sub 1,8 ppm (fig.1);

- în aceleași condiții de vidare privind presiunea rezultă la o durată a tratamentului sub vid de 24-26 min. conținutul final de hidrogen scade sub 1,8 ppm (fig.2);

- din fig. 3 rezultă că pentru durata totală a vidării de 24-26 min și presiunea în instalația de vidare (la vid avansat) de sub 1mBar (limite prezentate anterior) conținutul final de hidrogen este sub 1,8ppm.

- referitor la randamentul de îndepărtare a hidrogenului, în funcție de aceeași trei

parametri și aceleași limite de variație ca în cazul conținutului final de hidrogen

(fig1-3), se obțin pentru acesta valori de peste 66%.

3.2.Analiza tehnologică a rezultatelor obținute in programul EXCEL

Corelațiile obținute în programul de calcul EXCEL redau dependența (exprimată

analitic și grafic) între parametrii dependenți și indepenedenți menționați in tabelul 1, astfel:

- analizând reprezentările grafice din fig. 7 și fig.8 se constată că o creștere a duratei

de menținere a oțelului în oala de turnare pe traseul tehnologic VD – MTC

conduce la o creștere a conținutului de hidrogen, respectiv a gradului de absorbție

a acestuia. Din punct de vedere a proceselor siderurgice creșterea este normală,

având în vedere că procesul de absorbție este inflențat de timp;


- conținutul de hidrogen din oțelul din distribuitor se situează la valorile scăzute sub 2,2ppm pentru o diferență de temperatură a oțelului lichid pe traseul tehnologic VD-TC de 40-60 0C (fig. 9);

- din reprezentarea grafică prezentată în fig.10 se constată o tendință de creștere a

gradului de absorbție a hidrogenului în funcție de scăderea temperaturii pe traseul

tehnolgic VD-TC (indiferent de tipul funcției), explicabil că o scădere mai mare de

temperatură determină un timp mai mare de menținere a oțelului în oala de turnare,

deci și timp mai îndelungat pentru absorbția hidrogenului, reacție dependentă de

timp.

- dizolvarea hidrogenului, respectiv gradul de absorbție a acestuia în oțelul lichid,

se intensifică cu creșterea temperaturii, ceea ce se constatată și din reprezentările

grafice, prezentate în fig.11 și fig.12. În aceste figuri se prezintă variația gradului

de absorbție a hidrogenului în funcție de temperatura oțelului lichid la ieșire in

instalația VD, respectiv în distribuitor.

4.CONCLUZII Pe baza analizei rezultatelor obținute în cadrul cercetărilor efectuate privind factorii

care influențează conținutul de hidrogen din oțelul lichid (inclusiv faza tehnologică finală, mai precis turnarea continuă) rezultă următoarele concluzii:

- influența semnificativă a principalilor parametri ai vidării (durata totală, durata la

vidare avansată, presiunea în instalație la vidare avansată), confirmată la

prelucrarea datelor in programul de calcul EXCEL, se confirmă și în cazul

corelațiilor multiple (triple și duble) obținute în programul de calcul MATLAB;

- pentru asigurarea la terminarea vidării în oțelul lichid a unui conținut de hidrogen

sub 1,8ppm, respectiv un grad de îndepărtare a hidrogenului mai mare de 66%

parametri vidarii trebuie să fie cuprinși în limitele: durata totală a vidării 24-26

minute; durata vidării avansate 13-15minute și presiunea in instalalația VD la

vidare avansată sub 1mBar;

- pe traseul tehnologic VD-TC are loc un proces de absorbție a hidrogenului în

oțelul lichid, proces influențat de temperatura oțelului lichid și de timpul de

menținere a acestuia în oala de turnare pe traseul tehnologic VD-TC.. Parametri

menționați acționează și asupra gradului de absorbție a hidrogenului;

Din analiza rezultatelor obținute la prelucrarea datelor în programul de calcul EXCEL, mai precis a celor exprimate grafic pentru a nu depăși un conținut de hidrogen de max. 2,2ppm și un grad de absorbție a hidrogenului de max 30%, este de dorit ca:

- durata de menținere a oțelului lichid în oala de turnare pe traseul tehnologic VD-TC să nu depășească 65 min (30-65min);

- temperatura oțelului lichid la ieșire din instalația VD să fie cuprinsă în intervalul 1540 – 1570 0C, iar în distribuitor 1540 -1570 0C;

Menținerea parametrilor timp și temperatură în limitele propuse, este determinată/dependentă și de sincronizarea fazelor tehnologice, având în vedere particularitățile turnării continue secvențiale.


5.BIBLIOGRAFIE [1] Nica, Ghe., Socalici, A., Ardelean, E., Hepuţ, T., Tehnologii pentru îmbunătăţirea calităţii oţelului, Ed.

Mirton, Timişoara, 2003.

[2] Ştefănoiu, R., Cercetări privind procesele de rafinare a oţelurilor cu gaze inerte, Teză de doctorat, Universitatea Politehnica Bucureşti, 2004.

[3] Ştefãnoiu, R, Geantă,V., Sisteme de injectare a gazelor inerte utilizate în cadrul metalurgiei secundare , în „Metalurgia”, 2005, nr. 7.

[4] Geantă, V., Procedee şi tehnologii de rafinare a oţelului, Editura PRINTECH, Bucureşti, 2003.

[5] J F, Profumo F, Tenconi A, Hill–Cottingham R J, Coles P C and Gianolio G 2002 Novel axial flux

machine for aircraft drive: design and modeling, IEEE Transactions on Magnetics 38(5) 3003–3005.

[6] Drăgoi, F., Cercetări privind reducerea conţinutului de gaze din oţelul elaborat si tratate pe fluxul

tehnologic EBT –TC, Teză de doctorat, Universitatea Politehnica Timișoara, 2012.

[7] Puțan, A. Cercetări privind rafinarea otelului elaborat pe fluxul cuptor cu arc electric - oală cuptor –

turnare continuă, Teză de doctorat, Universitatea Politehnica Timișoara, 2013.

[8] Cârlan, B. A., Constantinescu, D. and Constantin, N., 2016 Study regarding the thermal properties of

the iron oxides and their application in the process of the heat transfer from the furnace hearth to the

ingot, University Politehnica Bucharest, Scientific Bulletin Series B–Chemistry And Materials Science,

78(4) 169–180.

[9] Branescu, E., Blajan, A. and Constantin, N., 2015 Experimental research on the characteristics of

softening and melting of iron ores as significant factor of influence on gas permeability of blast furnace

charge, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 85 012006.

[10] Butnariu, I., Constantin, N. and Dobrescu, C., 2018 Research on the recycling of pulverulent waste

from the ferous and non–ferrous industry in order to reduced the pollution, Revista de chimie, 69(5)

1066–1070.

[11] Ioana, A., Constantin, N., Drăgana, E., 2017 EAF optimal managing elements, IOP Conf. Ser.: Mater.

Sci. Eng. 163 012005.

[12] Radu, M., Șerban, S., Popa, E., Hepuț, T., The influence of steel vacuum processing upon the hydrogen

content reduction, ICAS 2019 Hunedoara.

hidrogenul În oȚeluri vidate turnate continuu · unei încărcături de bună calitate, fără...

Documents