鞍鋼煉鋼廠RH 精煉裝置真空系統(tǒng)技術(shù)改造

馬正鋒，孟繁亞，任開(kāi)有，劉 鐵，方杞清

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021)

0 前言

鞍鋼的兩套R(shí)H 分別建設(shè)于1998 年和2005年。經(jīng)過(guò)10 多年的使用，設(shè)備開(kāi)始老化，漏氣量增大，真空泵抽氣能力減小，RH 處理時(shí)間加長(zhǎng)，造成鋼水澆鑄速度慢，生產(chǎn)線產(chǎn)量降低。為滿(mǎn)足高品質(zhì)、高附加值鋼種的生產(chǎn)需要，為了提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力，降低能源消耗，需將原有的兩套R(shí)H 真空精煉裝置進(jìn)行升級(jí)、節(jié)能改造，改造完成后對(duì)于提高產(chǎn)量和鞍鋼在高端鋼種的市場(chǎng)占有率有很大幫助。

1 RH 的生產(chǎn)狀態(tài)

1.1 RH 生產(chǎn)工藝流程

鞍鋼配有兩臺(tái)RH 真空精煉裝置，兩臺(tái)連鑄機(jī)，一臺(tái)RH 供給一臺(tái)連鑄機(jī)，主要用于生產(chǎn)超低碳鋼。RH 的工藝流程如圖1 所示。

1.2 原真空泵參數(shù)

兩套R(shí)H 都采用四級(jí)蒸汽噴射真空泵，1#RH 建設(shè)于1998 年，由西安重型機(jī)械研究所、Demag MESSO 和鞍鋼設(shè)計(jì)院共同設(shè)計(jì)建設(shè)，真空泵的抽氣量為600 kg/h。2#RH 建設(shè)于2005年，由SMS MEVAC 和鞍鋼設(shè)計(jì)院共同設(shè)計(jì)建設(shè)，真空泵的抽氣量為700 kg/h，具體參數(shù)如表1 所示。

圖1 RH 工藝流程Fig.1 Technological process

表1 原真空泵參數(shù)Tab.1 Old vacuum pump parameters

2 設(shè)備存在的問(wèn)題

(1)泵體出現(xiàn)了磨損、磨穿，系統(tǒng)漏氣量增加。已修補(bǔ)過(guò)多次，補(bǔ)焊的新板和磨損的泵體影響氣流流態(tài)。圖2為多次磨損補(bǔ)焊后的狀態(tài)。泵內(nèi)積灰嚴(yán)重，抽氣性能大大降低，使得抽真空時(shí)間變長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)了整個(gè)鋼水在真空下的處理時(shí)間，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從開(kāi)始抽氣到200 Pa(絕對(duì))，耗時(shí)約11 min，影響與連鑄的生產(chǎn)節(jié)奏匹配。

(2)1#RH 的冷凝器效采用了噴頭式冷卻方式，效率低，水耗量大，最大水耗量達(dá)到1500 m3/h。噴頭安裝復(fù)雜，空間角度要求高，維護(hù)工作量大。

圖2 泵體磨損補(bǔ)焊Fig.2 Weld the wear pump

(3)1#RH 的抽氣能力為600 kg/h，2#RH 的抽氣量為700 kg/h。由于抽氣能力小，單爐處理時(shí)間長(zhǎng)，增加了能耗，而且和連鑄的生產(chǎn)節(jié)奏不能完好匹配，影響生產(chǎn)組織。

(4)密封通道設(shè)計(jì)不合理，氣囊使用壽命短，容易磨損，每2 天更換一次。氣囊與頂槍的間隙小，頂槍升降時(shí)與氣囊不斷摩擦，多次摩擦后會(huì)磨穿氣囊橡膠，導(dǎo)致氣囊不能充氣膨脹，與頂槍的間隙會(huì)漏進(jìn)大量空氣，根據(jù)計(jì)算，這種泄漏量達(dá)到了2800 kg/h，根本無(wú)法生產(chǎn)。

(5)底吹氬采用手動(dòng)接通方式，效率低，流量控制采用體積控制方式，精度差。只有正常吹氬和管路堵塞后的旁路強(qiáng)吹，沒(méi)有多種流量控制功能。只能在HMI 主控畫(huà)面進(jìn)行流量控制。

(6)1#RH、2# RH 真空泵系統(tǒng)由于建設(shè)時(shí)間不同，設(shè)備性能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在差異，故障檢查和設(shè)備維護(hù)工作復(fù)雜。兩套系統(tǒng)的濁環(huán)水總管閥門(mén)與管線、冷凝器各支路控制閥門(mén)與管線、各個(gè)蒸汽泵的閥門(mén)與管線都不同，互換性差，備件較多，不易管理。

3 技術(shù)改進(jìn)

從圖1 中可以看出，從鋼水進(jìn)站到出站，其它步驟的時(shí)間不可壓縮，但真空抽氣時(shí)間可以再縮短，所以本項(xiàng)目重新設(shè)計(jì)了真空泵和冷凝器，增大了抽氣量以減少抽氣時(shí)間;更換了整套真空系統(tǒng);重新設(shè)計(jì)了密封通道;增加自動(dòng)底吹氬系統(tǒng);還在末級(jí)增加了水環(huán)泵。兩套R(shí)H 采用完全相同的設(shè)備，便于備件管理，簡(jiǎn)化后期維護(hù)工作。

3.1 新設(shè)備的工藝布置

真空泵的布置主要有幾種方式:水平、垂直、斜式。這三種布置各有優(yōu)缺點(diǎn)，水平布置可以降低設(shè)備標(biāo)高，但占地面積太大，不利于泵體排水。垂直布置占地面積小，但設(shè)備標(biāo)高太高，對(duì)廠房高度要求較高。斜式布置占地面積適中，標(biāo)高也適中，但安裝難度較大。本次改造中采用了斜式布置，如圖3 和圖4 所示，其優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用原有支撐鋼平臺(tái)，大幅度減少現(xiàn)場(chǎng)輔助安裝工作，縮短施工時(shí)間。

圖3 立面圖Fig.3 Front View

圖4 平面圖Fig.4 Top View

3.2 新蒸汽泵性能參數(shù)

為了減少系統(tǒng)改造投資，充分利用現(xiàn)有蒸汽供給系統(tǒng)和濁環(huán)水供給系統(tǒng)，新真空泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用與原系統(tǒng)相同的介質(zhì)壓力和溫度，蒸汽耗量小于28 t(使用水環(huán)泵時(shí)小于22 t)。中重院對(duì)原有管道的流量能力和閥門(mén)的控制能力進(jìn)行校核計(jì)算，計(jì)算結(jié)論為:原有蒸汽管道能滿(mǎn)足新真空泵對(duì)蒸汽流量的要求，而且減壓閥也能有效控制蒸汽壓力，可以利舊。新蒸汽泵具體參數(shù)如表2 所示。

表2 新真空泵參數(shù)Tab.2 New vacuum pump parameters

3.3 濁環(huán)水系統(tǒng)

由于兩套R(shí)H 建設(shè)時(shí)間不同，冷凝器設(shè)計(jì)方法不同，冷卻原理不同，導(dǎo)致兩套R(shí)H 真空系統(tǒng)的冷凝器結(jié)構(gòu)完全不同，如表3 所示。新設(shè)計(jì)的冷凝器采用塔式噴淋結(jié)構(gòu)，供水系統(tǒng)利舊，根據(jù)現(xiàn)狀，兩套冷凝器采用不同的施工方案。

表3 冷凝器對(duì)比Tab.3 Condenser contrast

1#RH 采用了多噴嘴冷卻方式:1 個(gè)主噴嘴和3 個(gè)側(cè)噴嘴。這種方法的缺點(diǎn)是冷卻效率低，水耗量大，而且噴頭安裝時(shí)的空間角度要求高，各個(gè)噴頭組合后必須能覆蓋冷凝器截面，也不方便更換噴頭。所以將3 個(gè)冷凝器整體更換，新設(shè)計(jì)的冷凝器可以提高換熱效率，節(jié)省水資源。另外，由于每個(gè)冷凝器的用水量與原有系統(tǒng)不同，所以重新設(shè)計(jì)了水分配器，使冷凝器上、下兩級(jí)管路供水與新系統(tǒng)水量匹配。

2#RH 原有的3 個(gè)冷凝器上、下兩級(jí)噴頭的冷卻水水量與新系統(tǒng)不匹配，它的直徑與新冷凝器相同，所以外殼部分可以利舊。為了現(xiàn)場(chǎng)施工方便，新冷凝器只制作了上半部分(包含兩個(gè)噴淋頭)。原冷凝器從中間斷開(kāi)，只保留下半部分，現(xiàn)場(chǎng)將原冷凝器的下半部分與新制作的上半部分對(duì)接即可。采用與1#RH 相同的水分配器。

3.4 水環(huán)泵系統(tǒng)

圖5 2#RH 冷凝器施工方案Fig.5 2#RH condenser＇s construction scheme

水環(huán)泵是將葉輪偏心地安裝在接近圓形的泵體內(nèi)的，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，因離心力作用，注入泵體內(nèi)的液體形成旋轉(zhuǎn)的液環(huán)。液環(huán)內(nèi)表面與葉輪輪轂之間形成一個(gè)月牙形空間，在旋轉(zhuǎn)一周范圍內(nèi)，該空間逐漸增大→減小，氣體被吸入→排出。所以水環(huán)泵不用蒸汽，其工作介質(zhì)為水，每臺(tái)泵的耗水量為14～20 m3/h，而且工作水可以循環(huán)使用，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

水環(huán)泵使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有運(yùn)行安全、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用方便、效率較高的特點(diǎn)，工作介質(zhì)是水，葉片與泵體有一定間隙，可以抽含有灰塵的氣體、氣水混合物以及腐蝕性氣體。在本項(xiàng)目中，工作水使用蒸汽真空泵的濁環(huán)水，水環(huán)泵排出的水直接排入系統(tǒng)熱井罐，然后泵回水處理進(jìn)行沉淀、冷卻。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是不用為水環(huán)泵增加獨(dú)立的水處理系統(tǒng)，降低投資，減少故障點(diǎn)。

為了節(jié)約能源，降低蒸汽消耗，給末級(jí)蒸汽泵并聯(lián)了三臺(tái)水環(huán)泵，設(shè)計(jì)為兩用一備。抽氣管道從C2 冷凝器上引出。使用蒸汽泵時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)FH18，將水環(huán)泵系統(tǒng)隔離開(kāi)，根據(jù)S4a 和S4b 泵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)閥門(mén)FH15 和閥門(mén)FH17進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)關(guān)操作;使用水環(huán)泵時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)FH15 和閥門(mén)FH17，打開(kāi)閥門(mén)FH18，啟動(dòng)水環(huán)泵即可工作，水環(huán)泵抽走的廢氣排放到廠房外安全區(qū)域。當(dāng)使用水環(huán)泵時(shí)，可以將C3 冷凝器的冷卻水關(guān)閉，節(jié)省水資源。原理圖詳見(jiàn)圖6。

3.5 自動(dòng)底吹氬系統(tǒng)

圖6 真空系統(tǒng)原理圖Fig.6 Vacuum system

底吹氬主要促進(jìn)夾雜物上浮，調(diào)整鋼水溫度，均勻鋼水成份，提高鋼水脫氧效果。為了準(zhǔn)確、穩(wěn)定控制吹氬流量，該項(xiàng)目中使用了質(zhì)量流量控制技術(shù)，觸摸屏操作，具有計(jì)量準(zhǔn)確，功能豐富，操作方便的特點(diǎn)。通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與主控PLC 通訊，在本地操作面板上有遠(yuǎn)程/本地操作切換開(kāi)關(guān)，在HMI 主控畫(huà)面和就地操作箱上都可進(jìn)行吹氬控制。質(zhì)量流量控制的優(yōu)點(diǎn)是不管壓力波動(dòng)或流動(dòng)阻力如何變化，控制器都能精確控制流量，而且質(zhì)量控制可忽略壓力和溫度的變化，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，吹氬精度在1%。

為了便于操作，專(zhuān)門(mén)設(shè)置了軟吹、正常和強(qiáng)吹功能。每一種吹氬方式設(shè)置流量上限值，以防誤操作輸入過(guò)大的吹氬量造成飛濺。系統(tǒng)還配備了手動(dòng)吹氬功能，斷電時(shí)，手動(dòng)打開(kāi)旁路閥門(mén)就可以實(shí)現(xiàn)不間斷吹氬。

3.6 采用了真空技術(shù)的密封通道

頂槍槍體為水冷多層套管式結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外的介質(zhì)分別為氧氣、煤氣、冷卻水。頂槍安裝在真空槽上方，槍體通過(guò)熱彎管上的槍孔插入真空槽，由于槍體與熱彎管有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在熱彎管的槍孔上裝有波紋管式密封通道，如圖7 所示。其作用是:保證處理時(shí)真空槽內(nèi)的真空度，補(bǔ)償頂槍軌道安裝的誤差。一般采用的密封技術(shù)原理是:氣囊充氣膨脹，抱緊頂槍槍體，排氣后恢復(fù)自然狀態(tài)，這種方案的缺點(diǎn)是氣囊長(zhǎng)時(shí)間使用后，橡膠的彈性弱化，收縮不到原始狀態(tài)，氣囊與頂槍之間很容易造成摩擦而磨損氣囊。該項(xiàng)目中采用了真空收縮技術(shù)，密封氣囊2 充氣膨脹，與頂槍1 的表面緊密接觸，隔離真空槽內(nèi)空間和外空間，實(shí)現(xiàn)密封功能。當(dāng)頂槍上下運(yùn)行時(shí)，氣囊氣路的真空回路接通，使氣囊內(nèi)部形成負(fù)壓，氣囊收縮，增大了頂槍與氣囊之間的間隙，可提高氣囊壽命三倍以上。

4 改造后的效果

圖7 密封通道Fig.7 HMI of Argon blowing

(1)增加抽氣量，明顯縮短了真空處理時(shí)間，提高了連鑄的澆鑄速度。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)，每爐的平均抽氣時(shí)間為6 min。

(2)水環(huán)泵運(yùn)行平穩(wěn)，啟停方便。生產(chǎn)以水環(huán)泵為主，只在水環(huán)泵檢修保養(yǎng)時(shí)才使用蒸汽泵。實(shí)際蒸汽耗量為全蒸汽泵時(shí)28 t，使用水環(huán)泵時(shí)為22 t，分別比設(shè)計(jì)值節(jié)約蒸汽2 t 和1 t。

(3)真空泵斜式布置，利舊原有平臺(tái)，施工進(jìn)度非?？欤瑥牟鸪交匮b完成，只用了7 天時(shí)間。

(4)密封通道的氣囊壽命顯著延長(zhǎng)，現(xiàn)在已經(jīng)提高到7 天。

(5)改造后實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)轉(zhuǎn)爐蒸汽直供兩臺(tái)RH，不使用發(fā)電的高品質(zhì)蒸汽，大大降低了RH的運(yùn)行和生產(chǎn)成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)改造，系統(tǒng)存在的問(wèn)題得以解決。實(shí)踐證明，水環(huán)泵+蒸汽噴射真空泵完全可以滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求，這種方案對(duì)于降低RH 生產(chǎn)成本的重要方法。根據(jù)實(shí)際測(cè)算，每爐處理可節(jié)約蒸汽3.8 t。這對(duì)存量RH 的節(jié)能改造有重要的借鑒意義。

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