楊榮林

(浙江杭真能源科技股份有限公司，浙江 杭州 310000)

真空精煉作為提高鋼水質(zhì)量、產(chǎn)品品質(zhì)的行之有效工藝手段，已被廣泛應(yīng)用于各大煉鋼企業(yè)。真空精煉中為了脫除鋼液中的有害氣體以及較高蒸汽壓的有害元素成分來滿足鋼液質(zhì)量預(yù)定目標(biāo)值，鋼液就需要在密閉的真空環(huán)境下進(jìn)行處理，而獲得合格的真空環(huán)境需通過大型的真空泵系統(tǒng)抽吸來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于鋼液真空精煉而言，蒸汽射流真空系統(tǒng)和干式真空泵系統(tǒng)都能滿足系統(tǒng)抽真空的要求[1]。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 蒸汽射流真空泵系統(tǒng)

目前用來抽真空的真空泵系統(tǒng)的形式絕大多數(shù)采用蒸汽射流真空泵或蒸汽射流真空泵+水環(huán)泵，均是由鍋爐產(chǎn)生的中低壓蒸汽通過拉瓦爾噴嘴噴出，由于高速氣流的引射作用，使與蒸汽射流真空泵連接的真空室內(nèi)形成真空。但是，目前這種蒸汽射流真空泵或蒸汽射流真空泵+水環(huán)泵的形式已越來越不適應(yīng)當(dāng)前以及將來真空技術(shù)發(fā)展的需要，其主要弊端體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)能耗大，運(yùn)行成本高。蒸汽射流真空泵的工作介質(zhì)是中低壓蒸汽，而蒸汽的產(chǎn)生需要蒸汽鍋爐，鍋爐的燃料不外乎石油、天然氣以及煤炭這些化石原料，從化石原料燃燒到產(chǎn)生蒸汽，鍋爐的能源利用效率基本上在60%～80%，而蒸汽射流真空泵的效率在30%以下，導(dǎo)致最終的蒸汽射流真空泵的能源利用效率在12%～24%，能源浪費(fèi)很大。同時(shí)，由于蒸汽的冷卻需要大量的冷卻水，每噸蒸汽的冷卻水耗量在80 t左右，用量很大。

(2)環(huán)保性差。鍋爐使用化石原料的燃燒產(chǎn)生固廢、廢氣及粉塵，給周邊生態(tài)環(huán)境造成很大損害。同時(shí)，由于蒸汽的冷卻需要大量的冷卻水，且冷卻水與煙塵混合后，水污染嚴(yán)重，不好處理。

(3)設(shè)備體積龐大，占用空間大。鍋爐、水處理等設(shè)備需很大的擺放空間，而蒸汽射流真空泵設(shè)備的擺放高度更是達(dá)20 m以上，對(duì)廠區(qū)空間提出更高要求。

(4)工作環(huán)境差。蒸汽射流真空泵工作過程中產(chǎn)生的噪音一般都達(dá)到100 dB以上，可能嚴(yán)重?fù)p傷人員的聽力；同時(shí)，鍋爐以及高溫蒸汽的使用，存在著跑、冒、滴、漏、易燃易爆的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 干式真空泵系統(tǒng)

早在1920年，德國的Wilhelm Rohn就將第一套全干式真空泵系統(tǒng)應(yīng)用在Heracus Gmbh的4 t有色金屬真空感應(yīng)爐上[2]。近年來，隨著機(jī)械制造業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，干式真空泵的大型化得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了干式真空泵的規(guī)?；a(chǎn)，大大降低了設(shè)備的使用成本。同時(shí)伴隨著煙氣預(yù)處理系統(tǒng)的完善，干式真空泵系統(tǒng)的技術(shù)得到了極大提升，而干式真空泵系統(tǒng)固有的低運(yùn)行成本的優(yōu)勢也得到了充分的發(fā)揮，因此干式真空泵系統(tǒng)在鋼水真空脫氣領(lǐng)域又得以重新重視并應(yīng)用。干式真空泵系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)運(yùn)行成本低，約為蒸汽射流真空泵系統(tǒng)的10%～20%。

(2)節(jié)能環(huán)保，只需要消耗電力，不產(chǎn)生任何固廢、污水和廢氣。

(3)設(shè)備緊湊，節(jié)省大量空間。

(4)工作環(huán)境友好。噪音水平低，不存在高溫高壓危險(xiǎn)。

21世紀(jì)初，西安邁特瑞公司以及浙江杭真能源科技股份有限公司的VD煉鋼全干式真空泵系統(tǒng)分別在萊蕪特鋼、永聯(lián)鋼鐵、淄博張鋼、沙鋼等大型鋼鐵企業(yè)得到應(yīng)用。另外，在大型裝備行業(yè)的真空鑄錠工藝上也有了開拓性的應(yīng)用，如太原重工、中信重機(jī)、邢臺(tái)軋輥等行業(yè)企業(yè)。

現(xiàn)以某鋼廠特鋼項(xiàng)目為例介紹100 t VD全干式真空泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用情況。

2 100 t VD干式真空泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件

2.1 工程背景

某鋼廠特鋼項(xiàng)目產(chǎn)品定位為優(yōu)、特鋼品種。其主要工藝配置：1座100 t電爐、1臺(tái)鋼包精煉爐、1臺(tái)100 t VD真空爐、1臺(tái)超薄帶連鑄機(jī)。其產(chǎn)品規(guī)模與品種：連鑄薄帶50萬噸/年；產(chǎn)品大綱以薄規(guī)格帶鋼為主，有無取向硅鋼、高頻系列硅鋼、高磁感系列硅鋼、高強(qiáng)度系列硅鋼等。

2.2 設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù)

全干式真空泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 全干式真空泵系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

3 全干式真空泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與配置

3.1 100 t VD真空泵系統(tǒng)抽氣性能計(jì)算

3.1.1 67 Pa下抽氣速率計(jì)算

真空脫氣類鋼液放氣量見表2[3]。

表2 每噸鋼液真空放氣量

對(duì)于脫氧鋼種，每噸鋼液放氣量[3]Q1為每噸鋼液放出氫氣量QH、放出氮?dú)饬縌N、放出CO氣量QCO之和，即：

Q1=QH+QN+QCO=0.317 m3/t

(1)

按每爐處理鋼液量100 t、處理時(shí)間30 min折算，即每爐放氣速率：

Sp1=63.4 m3/h

(2)

底吹氬氣速率：Sp2=36 m3/h

電視攝像用氮?dú)馑俾剩篠p3=20 m3/h

泄漏氣體速率：Sp4=20 m3/h

則：Sp=Sp1+Sp2+Sp3+Sp4=139.4 m3/h

(3)

轉(zhuǎn)換算成67 Pa下，20℃的放氣速率：

SP(67Pa)=226196 m3/h

(4)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，并與國內(nèi)廠家100 t VD實(shí)際情況比較后，確定真空泵在67 Pa下的抽氣速率為250000 m3/h。國內(nèi)其它鋼廠VD抽氣速率數(shù)據(jù)見表3。

表3 國內(nèi)其它鋼廠VD抽氣速率

3.1.2 抽氣時(shí)間的計(jì)算

干式泵抽氣時(shí)間計(jì)算見式(5)[3]：

t=2.3Kg(V/SP)lg[(pi-p0)/(p-p0)]

(5)

若忽略p0，則式(5)可以簡化為式(6)[3]：

t=2.3Kg(V/SP)lg(pi/p)

(6)

式中，t為抽氣時(shí)間(s)；V為被抽真空設(shè)備容積(L)；Sp為泵的名義抽速(L/s)；p為經(jīng)t時(shí)間抽氣后的壓力(Pa)；p0為真空設(shè)備的極限壓力(Pa)；pi為設(shè)備開始抽氣時(shí)的壓力(Pa)；Kg為修正系數(shù)，與設(shè)備抽氣終止時(shí)的壓強(qiáng)p有關(guān)，見表4[3]。

表4 修正系數(shù)Kg

根據(jù)鋼廠VD真空脫氣時(shí)間一般要求為：真空室內(nèi)從大氣壓降至67 Pa的時(shí)間應(yīng)≤7 min。

3.2 真空泵系統(tǒng)配置

3.2.1 煙氣預(yù)處理系統(tǒng)

煙氣預(yù)處理系統(tǒng)包括1臺(tái)氣體冷卻器、1臺(tái)濾袋除塵器，設(shè)置在干式真空泵系統(tǒng)前端[4]。煙氣預(yù)處理系統(tǒng)主要考慮氣體冷卻效果、過濾效果及阻力降這3個(gè)指標(biāo)。一般要求煙氣溫度能冷卻至50℃以下，過濾效果達(dá)到5 μm以下，阻力降≤10 Pa以下。

(1)氣體冷卻器

氣體冷卻器將確保真空處理過程中，濾袋除塵器不會(huì)暴露在熱負(fù)荷過大的環(huán)境中。為了保證高真空狀態(tài)下廢氣的流通面積，減少氣體阻力降，換熱管廢氣流通面積必須保證。

(2)濾袋除塵器

煉鋼粉塵是影響干式真空泵正常運(yùn)行的主要原因，在煉鋼粉塵進(jìn)入干式真空前必須有效地去除，本系統(tǒng)采用濾袋除塵器過濾廢氣中的灰塵，該濾袋除塵器的濾袋采用金屬膜柔性材料，有效地除去μm級(jí)的灰塵。在每次處理間隙，采用氮?dú)饷}沖反吹形式將濾袋上的積灰吹下來，收到灰斗內(nèi)。

該除塵器設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

1)耐高溫：金屬膜材料由金屬粉末燒結(jié)而成，最多可耐超過500℃高溫，可有效對(duì)抗火星顆粒；

2)低流阻：高氣體通量，平衡后的最大阻力降≤10 Pa；

3)滿足VD工藝任何階段的煙氣處理要求。

濾袋除塵器的性能參數(shù)見表5。

表5 濾袋除塵器性能參數(shù)

3.2.2 干式泵組選型

用于鋼水真空脫氣的真空泵組一般通過兩項(xiàng)參數(shù)來定義：泵組的級(jí)數(shù)以及泵的種類，每一級(jí)泵的大小和數(shù)量。兩項(xiàng)參數(shù)都是由系統(tǒng)根據(jù)具體工藝所需的抽氣能力決定的[5]。從一個(gè)大氣壓(101300 Pa)下到達(dá)所要求的最低真空度(通常為67 Pa)，每種泵所能承受的壓差決定了每級(jí)泵的種類和數(shù)量?？紤]到大排量羅茨泵無法承受高壓差，設(shè)計(jì)上采用了羅茨真空泵和擁有高壓縮比低排氣量的螺桿泵組合抽氣的方案。

100 t VD真空泵組包含了4級(jí)泵組：3級(jí)羅茨真空泵和1級(jí)螺桿泵。每級(jí)泵的數(shù)量都是根據(jù)所要求的氣體流量(抽氣能力)和合理的壓縮比決定的。并考慮到泵的價(jià)格、可靠性、維護(hù)和冗余(在泵事故停止或者維護(hù)的情況下能夠不影響正常的真空脫氣處理)來進(jìn)行優(yōu)化。具體配置見表6。

表6 干式真空泵系統(tǒng)配置表

(1)1級(jí)泵組

1級(jí)泵組包括7臺(tái)在67 Pa下抽氣能力為40000 m3/h的羅茨泵，因此1級(jí)泵的抽氣能力為280000 m3/h。此級(jí)泵在真空度低于3000 Pa時(shí)運(yùn)行。所有的泵都用變頻器控制，這一級(jí)的裝機(jī)容量為259 kW，而正常運(yùn)行時(shí)只需消耗100～120 kW。

(2)2級(jí)泵組

2級(jí)泵組包括2臺(tái)額定抽氣能力為40000 m3/h的羅茨泵，因此二級(jí)的抽氣能力為80000 m3/h，此級(jí)泵在真空度低于5000 Pa時(shí)運(yùn)行。所有的泵都用變頻器控制。這一級(jí)泵的總裝機(jī)容量為74 kW，而正常運(yùn)行時(shí)只需消耗30～40 kW。

(3)3級(jí)泵組

3級(jí)泵組包括3臺(tái)帶有氣體冷卻、額定抽氣能力為8000 m3/h的羅茨泵。3級(jí)泵總的有效抽氣能力為24000 m3/h。這一級(jí)泵的裝機(jī)容量為111 kW，實(shí)際運(yùn)行下的消耗為50～90 kW。

(4)4級(jí)泵組

4級(jí)泵組包括3臺(tái)干式螺桿泵，每臺(tái)都帶有75 kW的電機(jī)，其抽氣能力為2500 m3/h，可以最大承受100000 Pa的壓差。這一級(jí)的裝機(jī)容量為225 kW，實(shí)際消耗約為180 kW。

以上配置方案中的每臺(tái)泵前后均設(shè)置有真空切斷閥門，方便任意一臺(tái)出現(xiàn)問題時(shí)，隨時(shí)可以切換。同時(shí)在每臺(tái)泵內(nèi)部均設(shè)置嵌入式溫度、壓力、振動(dòng)傳感器，使每臺(tái)泵的工作狀態(tài)能集中顯示在控制室控制中心的大屏幕顯示器上，方便人員監(jiān)控和操作。

3.2.3 干式泵的控制系統(tǒng)

干式泵的運(yùn)行是通過邏輯控制率來控制的，邏輯控制率通過提取各級(jí)羅茨泵以及螺桿泵的參數(shù)(如壓差、溫度以及每級(jí)之間的壓縮比等)，并結(jié)合系統(tǒng)的工藝要求，各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)發(fā)生變化，能給出最佳的運(yùn)行曲線；另外，為了安全，邏輯控制率還限定了系統(tǒng)的運(yùn)行包線，使干式泵只能在其包線范圍內(nèi)運(yùn)行。

3.3 100 t VD干式泵系統(tǒng)性能計(jì)算結(jié)果

根據(jù)100 t VD干式泵系統(tǒng)的配置，計(jì)算并繪出系統(tǒng)抽速性能圖(圖1)、系統(tǒng)抽氣時(shí)間圖(圖2)。由圖1、圖2可以看出，設(shè)計(jì)配置的100 t VD干式真空泵系統(tǒng)，經(jīng)多次工程實(shí)踐，實(shí)際抽氣速率在67 Pa工作壓力下達(dá)到了28.8萬m3/h，抽氣時(shí)間小于308 s，抽氣速率、工作壓力以及抽氣時(shí)間均能滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了很好的使用效果。

圖1 系統(tǒng)抽速

圖2 系統(tǒng)抽氣時(shí)間

4 全干式真空泵系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用情況

全干式真空泵系統(tǒng)一次性熱負(fù)荷試車成功以來，經(jīng)過3000余爐鋼的生產(chǎn)驗(yàn)證，除塵與氣體冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)運(yùn)行正常，全干式真空泵系統(tǒng)滿足VD工藝的要求。

4.1 真空系統(tǒng)運(yùn)行能耗比較

由表7可知，100 t VD采用全干式真空泵系統(tǒng)比采用蒸汽射流真空系統(tǒng)噸鋼運(yùn)行成本可節(jié)約13.975元，約節(jié)約85%。如按年處理50萬t鋼水能力計(jì)算，則年節(jié)約成本可達(dá)698.75萬元。雖然本項(xiàng)目全干式真空泵系統(tǒng)一次性投資比蒸汽射流真空系統(tǒng)高1000萬元左右，但通過上述對(duì)比可知，1.5年即可回收投資。

表7 全干式真空泵系統(tǒng)與蒸汽射流真空系統(tǒng)運(yùn)行能耗比較

4.2 真空系統(tǒng)運(yùn)行性能比較

因蒸汽射流真空系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)蒸汽以及冷卻水等介質(zhì)的壓力、溫度、流量都在發(fā)生變化，因此其真空性能也在不斷的發(fā)生波動(dòng)，因此真空的穩(wěn)定性受限于介質(zhì)的穩(wěn)定性。而全干式真空泵系統(tǒng)僅僅只需要穩(wěn)定的電能供應(yīng)即可，而電網(wǎng)的穩(wěn)定性遠(yuǎn)勝于蒸汽的穩(wěn)定性。特別是當(dāng)夏天水溫較高時(shí)，蒸汽射流真空系統(tǒng)的真空性能急劇下降，甚至常常影響正常的生產(chǎn)。

4.3 真空系統(tǒng)故障判斷比較

因蒸汽射流真空系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)一般難以直接判斷哪個(gè)地方出現(xiàn)問題，通常需要排除法來進(jìn)行判斷，因此其出現(xiàn)故障時(shí)，解決問題非常麻煩，需要經(jīng)驗(yàn)非常豐富的資深工程師，而干式真空泵系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，均能在顯示器終端得到顯示。

5 干式真空泵系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題及對(duì)策

(1)濾袋除塵器濾袋清灰通過氮?dú)夥创堤幚砗?，存在清理不干凈的現(xiàn)象，導(dǎo)致濾袋流阻增加，因此需把濾袋取出，進(jìn)行清洗后再進(jìn)行使用，比較耗時(shí)耗力，同時(shí)還影響正常生產(chǎn)節(jié)奏，因此，有必要設(shè)計(jì)成雙濾袋除塵器形式，一用一備。

(2)干式真空泵機(jī)組放置于泵房內(nèi)，泵運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生較大的熱量，需設(shè)置大功率空調(diào)，用于改善室內(nèi)環(huán)境。

(3)干式真空泵系統(tǒng)內(nèi)的每臺(tái)泵均設(shè)置壓力、溫度、流量等監(jiān)測元件，一旦有故障能在顯示器終端顯示，但是沒有進(jìn)一步開發(fā)智能分析平臺(tái)，不能做到實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)的健康狀況，智能化、數(shù)據(jù)化水平有待提高。

(4)工廠的冷卻水質(zhì)量達(dá)不到干式真空泵的使用要求，經(jīng)常發(fā)生冷卻水管的過濾器堵塞，造成設(shè)備報(bào)警，需要進(jìn)行人工清理，有必要采用純凈水水源，并進(jìn)行冷卻水閉環(huán)循環(huán)。

6 結(jié)語

通過對(duì)100 t VD干式真空泵系統(tǒng)抽氣能力指標(biāo)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)備的配置，對(duì)比分析了同規(guī)模蒸汽射流真空泵系統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、可靠性，結(jié)果表明：(1)VD爐采用干式機(jī)械泵真空系統(tǒng)，其工藝指標(biāo)和冶金效果與蒸汽射流真空泵系統(tǒng)真空系統(tǒng)相當(dāng)，完全可以同等替代。(2)干式機(jī)械泵真空系統(tǒng)運(yùn)行更為可靠，不受蒸汽溫度、壓力影響，其設(shè)備停產(chǎn)間隔時(shí)間長，維護(hù)簡便，生產(chǎn)組織更加靈活。(3)干式機(jī)械泵真空系統(tǒng)相比蒸汽射流真空泵系統(tǒng)真空系統(tǒng)，噸鋼運(yùn)行成本可節(jié)約13.975元，節(jié)約率85%，經(jīng)濟(jì)效益好，同時(shí)也能為國家的節(jié)能環(huán)保事業(yè)貢獻(xiàn)力量，值得在鋼鐵行業(yè)大范圍推廣。