吳 寅

（攀鋼集團有限公司，四川 攀枝花 617067）

0 前言

攀鋼提釩煉鋼廠高速軌鋼RH精煉設備在生產(chǎn)過程中，由于真空泵運行不穩(wěn)定，導致真空度波動與抽真空速度慢，除去泄漏、流量不足等重要因素，蒸汽質量對拉瓦爾噴嘴噴射泵的穩(wěn)定運行也起著關鍵作用。真空泵對蒸汽質量有嚴格的要求：適合的蒸汽量；適合的壓力和溫度；不含空氣和其它不凝性氣體；干凈；干燥；等等。該精煉設備站的工作蒸汽供給系統(tǒng)輸出壓力為1.3 MPa，溫度為200℃。通常，真空泵的抽氣能力不受過熱或者飽和蒸汽的影響，或者說影響可以忽略不計，但當蒸汽供給系統(tǒng)的管道散熱和工作蒸汽膨脹而變濕時，會使泵的性能不穩(wěn)定。本文主要研究溫度和含水量等因素對RH真空度波動的影響。

1 蒸汽的工作原理

該RH精煉設備采用蒸汽噴射泵系統(tǒng)，如圖1所示。蒸汽通過拉瓦爾噴嘴在噴射泵中絕熱膨脹對外做功，如圖2所示。由于同外界沒有熱量的交換，所以是個等熵過程，稱為等熵膨脹。根據(jù)熱力學第一定律d Q＝d U＋p d V，對于理想氣體d U＝cv d T，在絕熱的情況下d Q＝0，所以0＝cv d T＋p d V，可得 －d T＝，只要蒸汽對外界做功，同時膨脹所做的功以焓的減少為補償，系統(tǒng)必定降溫。在蒸汽絕熱膨脹時，溫度和壓力降低，只要被抽氣體的壓力高于混合室的壓力，則被抽氣體被吸入混合室，即這個過程中其壓力降低，焓值下降，熱容激增，速度迅速增加至超音速。

工作蒸汽和被抽氣體在混合室中進行混合，然后兩股氣流進行能量的交換，絕熱膨脹后的蒸汽對被抽氣體進行做功，使其速度迅速增加，進而工作蒸汽帶著被抽氣體進入擴壓器中。

在擴壓器中，被抽氣體與蒸汽一邊進行能量交換，一邊逐漸壓縮，動能轉化為勢能，到擴壓器喉部時已完成混合過程達到音速，壓力升高，經(jīng)過擴張段速度繼續(xù)降低至亞音速，隨著壓力的進一步升高，從而將被抽氣體排出噴射器。因此，從蒸汽噴射泵的工作過程和原理來看，蒸汽的質量影響拉瓦爾噴射泵是否能夠正常工作。

圖1 蒸汽系統(tǒng)

圖2 蒸汽單級噴射泵工作原理

2 蒸汽含水量和蒸汽溫度對真空度的影響

2.1 蒸汽含水量對真空度的影響

當真空泵噴嘴噴射出的蒸汽流中含有微小水珠時，這些水珠不能像蒸汽那樣膨脹產(chǎn)生速度，它只能被蒸汽推動而增加速度，因此濕蒸汽中的水分不但不能產(chǎn)生能量，而且還要消耗能量。噴嘴出來的蒸汽流速度下降，造成如下影響：

（1）蒸汽噴射泵的抽氣能力下降。對噴射泵（3a、3b、4a、4b）而言，蒸汽流（湍流）對被抽氣體的卷帶效應變差；對增壓泵（B1、B2）而言，一方面是蒸汽流（層流）對被抽氣體的粘性摩擦效果變差，另一方面是蒸汽流密度變大后被抽氣體擴散到蒸汽流的效果下降。

（2）蒸汽流橫向擴散作用變大，形狀的變化導致擴器收縮段動能轉換為位能的效率變差，進而導致蒸汽泵排壓下降，造成下一級真空泵壓縮比擴大。

2.2 蒸汽溫度對真空度的影響

攀鋼RH系統(tǒng)預抽真空時蒸汽壓力為1.4 MPa，真空處理開始后，蒸汽用量急劇上升，蒸汽壓力急劇下降（最低至1.15 MPa），這一過程實質上造成了管道內蒸汽體積的急速膨脹，蒸汽溫度驟降3～5℃不等，蒸汽過熱度不足時就會產(chǎn)生冷凝水。實際生產(chǎn)中要求有一定的冗余量，通常蒸汽過熱10℃，即205℃左右。

3 蒸汽中含水量和溫度的控制

通過以上分析，供給系統(tǒng)管線中的蒸汽含水量，成為蒸汽泵抽氣能力與性能穩(wěn)定的重要因素，為了獲得適合的蒸汽溫度和含水量，采取如下措施。

3.1 合理布置疏水閥

從圖3的減溫減壓蒸汽流程圖可看出：在蒸汽總進口位置，減壓操作，冷卻水減溫和輸出管道上分別布置4個疏水閥；在蒸汽分配包前端，蒸汽分配包后端，主泵B1和B2的保溫蒸汽，工作蒸汽布置了共6個疏水閥。

圖3 減溫減壓蒸汽流程圖

3.2 增設汽水分離器

為了分離掉管線遠距離輸送的蒸汽中疏水閥不能處理的懸浮液滴，選擇在蒸汽分壓包前端增加擋板式汽水分離器，它由多塊擋板組成，液體在分離器內可多次改變流動方向。由于懸浮水滴的質量和慣性較大，當遇到擋板流動方向改變，干蒸汽可繞過擋板繼續(xù)前進，而水滴則會聚積在擋板上。由于汽水分離器有較大的流通面積，減少了水滴的動能，大部分水滴都會凝聚，最后落到分離器的底部，進而通過疏水閥排出。實踐證明，擋板式分離器在10～30 m／s的流速之間分離效率可以接近90%。

3.3 擬增設暖管措施

由于維修或其它原因讓工作蒸汽長時間停機并重啟時，可以考慮暖管措施。這個階段冷凝水量較大，對于暖管時產(chǎn)生的熱量散失稱為“暖管負荷”。當管道正常運行時，同樣會有一小部分穩(wěn)定的管道散熱損失，稱為“運行負荷”。

該精煉設備站的蒸汽供給系統(tǒng)沒有暖管設施，長期停止后重啟直接送氣到用汽點，這樣管道中的冷凝水無處排放，極易形成水彈，發(fā)生水錘現(xiàn)象，且增加了蒸汽的濕度。因此擬增加一套旁路暖管裝置來對長期停機后的管道進行暖管。

把蒸汽主管加熱到工作溫度需要的蒸汽流量與管道的質量、比熱、溫升、蒸汽的蒸發(fā)焓和暖管時間等因素有關，即

式中，ms為蒸汽的平均冷凝率；w管道與法蘭以及接頭的總重量；Ts為蒸汽溫度；Tamb為環(huán)境溫度；Cp為管道材質的比熱；hfg為工作壓力下的蒸發(fā)焓；t為暖管時間。

其中 w、Ts、Tamb、Cp、hfg均為定值，故 t與ms成反比，因此采用長時間的暖管可降低暖管負荷，提高管道輸送合格蒸汽質量的能力。

3.4 預備先減溫后減壓的措施

通過先減溫后減壓的蒸汽處理工藝，可以得到微過熱的蒸汽，其機理為：蒸汽進站時為過熱狀態(tài)（3.1 MPa、310℃，焾值3014.83），在壓力不變的狀態(tài)下噴水降溫到235.49℃后變?yōu)轱柡驼羝?，焓值下降?801.65；再降壓為到目標壓力（1.4 MPa），此過程中焓值不變仍然保持2801.65，溫度降為198.5℃。對比1.4 MPa時飽和蒸汽參數(shù)（195.04℃，焓值2788.4），可以發(fā)現(xiàn)蒸汽變?yōu)榱溯p微過熱狀態(tài)。蒸汽狀態(tài)變化時的參數(shù)見表1。

表1 蒸汽狀態(tài)變化時的參數(shù)

4 結束語

蒸汽質量提高后，B2泵在3 000～600 Pa段、B1泵在300～100 Pa段抽不動的情況未再出現(xiàn)，B2泵在3 000～600 Pa段抽氣時間穩(wěn)定在5 s以內，B1泵在300～100 Pa段抽氣時間穩(wěn)定在3 s以內。

［1］ 道達安.真空設計手冊（3版）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004.

［2］ 沈維道、童鈞耕，等.工程熱力學（4版）［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［3］ 張鑒.爐外精煉的理論與實踐［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1999.

［4］ 楊乃恒，巴德純，王曉冬.鋼水真空脫氣及爐外精煉技術的回顧與評述［J］.真空，2017，54（04）：1－8.

［5］ 孫利順.RH真空精煉原理及工藝簡介［A］.2008年煉鋼連鑄技術與學術交流會論文集［C］.河北省冶金學會，2008：367－372.

［6］ 吳燕萍，凌國勝.RH快速精煉工藝與設備選型［J］.中國冶金，2011，21（02）：11－14.

［7］ 黃希祜.鋼鐵冶金原理（3版）［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

［8］ 王壯.真空脫氣原理和技術［J］.真空，1999，36（04）：37－42.

［9］ 顏俏澤，陳君杰，陳婷婷.蒸汽噴射泵系統(tǒng)優(yōu)化設計［J］.科技創(chuàng)新與應用，2016，（12）.

［10］ 許志敏，林麗生.蒸汽噴射泵部分結構參數(shù)對其性能影響的研究［J］.機械研究與應用，2017，30（03）：67－70.

［11］ 林麗生，廖國進.噴嘴距對水蒸汽噴射泵工作性能的影響分析［J］.長春大學學報，2014（08）：1043－1047.

［12］ 張鳳心，王寶峰，任開有，等.蒸汽噴射泵噴嘴仿真優(yōu)化研究［J］.設備管理與維修，2015（A1）：37－39.

［13］ 胡軍.蒸汽噴射泵的理論研究與應用［D］.鞍山科技大學，2005.

［14］ 任彤，陳亞文，董偉光，等.四級水蒸汽噴射泵在韓國現(xiàn)代制鐵RH上的應用［J］.重型機械，2010（S1）：113－115.

［15］ 周容平，董偉光，李光祺，等.梅鋼150tRH裝置的 600 kg／h、67Pa蒸汽噴射真空泵研制［J］.重型機械，2004（01）：10－13.

［16］ 龐俐，羅楓，黃振波，等.大連特鋼100tRH真空脫氣設備設計及調試［J］.工業(yè)技術，2012（24）：94－95.