煉鋼用低碳綠色機(jī)械真空泵系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

吳建龍，趙 騰，馬正鋒，張 明,劉 蒙

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018)

0 前言

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)鋼鐵工業(yè)向低碳綠色發(fā)展和實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的要求不斷提高，同時(shí)真空技術(shù)日新月異，鋼鐵企業(yè)對(duì)高效節(jié)能的新型機(jī)械真空泵系統(tǒng)取代原有蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)的需求日趨旺盛[1]。

中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司自主研發(fā)的機(jī)械真空泵系統(tǒng)屬?lài)?guó)內(nèi)首次，獨(dú)立成套于鋼水精煉設(shè)備，其綜合性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。研發(fā)過(guò)程中，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司克服了外方系統(tǒng)技術(shù)缺陷與不足，采用了若干創(chuàng)新技術(shù)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐，促進(jìn)了工藝裝備更新?lián)Q代，實(shí)現(xiàn)了噸鋼消耗標(biāo)煤從3～10 kg降低到0.1～0.4 kg，獲得了噸鋼顯著的節(jié)能減碳效果，噸鋼可節(jié)省5～15元，取得了優(yōu)異的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 兩種真空泵系統(tǒng)的技術(shù)性能對(duì)比

真空泵系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到精煉后鋼水中的殘余氣體中H、O以及N的含量，也影響到真空C脫氧的效果[2]，其合理性和優(yōu)異性是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行可靠、高效節(jié)能根本因素。新提出的機(jī)械真空泵系統(tǒng)和原有的蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)的綜合性能比較如表1所示[3-8]。

表1 真空泵系統(tǒng)技術(shù)性能對(duì)比

通過(guò)對(duì)比，在滿(mǎn)足相同鋼水精煉工藝指標(biāo)的前提下，蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)的噸鋼綜合能耗是機(jī)械真空泵系統(tǒng)的10～25倍，甚至更多，已不能適應(yīng)國(guó)家對(duì)鋼鐵行業(yè)低碳節(jié)能發(fā)展的需求。因此，研發(fā)綠色高效的機(jī)械真空泵系統(tǒng)已成為大勢(shì)所趨和當(dāng)務(wù)之急。

2 現(xiàn)狀調(diào)研與分析

中國(guó)重型院研究團(tuán)隊(duì)深入調(diào)研了現(xiàn)有機(jī)械真空泵系統(tǒng)，梳理技術(shù)現(xiàn)狀與難點(diǎn)，分析技術(shù)缺陷和技術(shù)改進(jìn)的方案。

(1)成套系統(tǒng)由國(guó)外公司開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，技術(shù)壁壘嚴(yán)密。但系統(tǒng)技術(shù)不完善，存在多種缺陷，甚至不能滿(mǎn)足業(yè)主連續(xù)生產(chǎn)的基本需求。

(2)系統(tǒng)在惡劣的高溫多塵的鋼液廢氣條件下無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，存在泵選型和機(jī)組配置不合理、氣體冷卻和除塵效率低、運(yùn)行控制方案不當(dāng)?shù)热毕荨?/p>

(3)現(xiàn)有系統(tǒng)性能不能充分滿(mǎn)足鋼水精煉的需求，存在抽氣能力小、時(shí)間長(zhǎng)、氣體壓縮比分配不合理、不能高真空吹氧、鋼水脫碳與升溫效果差、依據(jù)精煉工藝變化的響應(yīng)調(diào)控能力不足等缺陷。

(4)基于各種綜合因素，系統(tǒng)在鋼水精煉處理過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)揮出預(yù)期的節(jié)能效果，存在提升空間。

3 研發(fā)目標(biāo)

針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)技術(shù)存在的缺陷與問(wèn)題，中國(guó)重型院制定了研發(fā)目標(biāo)。

(1)立足國(guó)內(nèi)技術(shù)能力，掌握核心技術(shù)，獨(dú)立成套具有國(guó)際先進(jìn)水平的穩(wěn)定高效的機(jī)械真空系統(tǒng)及其裝備，充分滿(mǎn)足鋼水精煉的連續(xù)生產(chǎn)需求。

(2)為確保系統(tǒng)能夠在惡劣的高溫多塵的鋼水廢氣條件下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，開(kāi)發(fā)新型真空泵的選配模型與布置方案，研發(fā)高真空氣體冷卻和除塵的設(shè)計(jì)方法，最終實(shí)現(xiàn)日處理爐數(shù)大于30爐的需求。

(3)為適應(yīng)鋼水精煉工藝需求和變化，研發(fā)基于變頻調(diào)控技術(shù)的計(jì)算機(jī)綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，滿(mǎn)足高品質(zhì)特種鋼水的穩(wěn)定安全自動(dòng)化生產(chǎn)的目標(biāo)。

(4)依據(jù)調(diào)研結(jié)果和技術(shù)分析，新型真空泵系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用，能提高系統(tǒng)節(jié)能效果。以210 t RH精煉爐為例，國(guó)外公司配套的系統(tǒng)噸鋼綜合電耗3.5 kW。中國(guó)重型院研發(fā)目標(biāo)是精煉爐穩(wěn)定運(yùn)行，其綜合電耗小于3.5 kW。

4 主要研究?jī)?nèi)容

在近60年的鋼水精煉用真空系統(tǒng)研究與實(shí)踐基礎(chǔ)上，中國(guó)重型院依靠自身技術(shù)力量，創(chuàng)新性地研發(fā)了干式機(jī)械真空泵系統(tǒng)配泵模型、四級(jí)機(jī)械泵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、泵組集散式布置方案、高效低阻力高真空氣體冷卻和過(guò)濾裝備與設(shè)計(jì)方法、計(jì)算機(jī)綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)與操作方法等系統(tǒng)成套的新技術(shù)。

4.1 干式機(jī)械配泵模型

只有建立實(shí)用的機(jī)械泵選型模型，才能準(zhǔn)確合理地選擇機(jī)械泵，使得系統(tǒng)能適應(yīng)復(fù)雜的真空精煉工藝需求，并均被長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的根本條件[9]。選型模型流程圖如圖1所示。圖中δT為泵進(jìn)出口溫升；δT允為泵進(jìn)出口允許溫升；t為抽氣時(shí)間；t允為許抽氣時(shí)間。

圖1 選型模型流程圖

4.2 試驗(yàn)平臺(tái)

為實(shí)際測(cè)試真空系統(tǒng)抽氣能力、穩(wěn)定運(yùn)行條件、自動(dòng)化控制程序和模擬不同工藝下的各種控制模式，中國(guó)重型院創(chuàng)建了國(guó)內(nèi)首套用于鋼液真空精煉的四級(jí)全干式機(jī)械泵試驗(yàn)臺(tái)，如圖2所示。該試驗(yàn)臺(tái)由第一級(jí)4.6萬(wàn)m3/h抽速羅茨泵2臺(tái)+第二級(jí)0.95萬(wàn)m3/h抽速羅茨泵2臺(tái)+第三級(jí)0.55萬(wàn)m3/h羅茨泵1臺(tái)+第四級(jí)0.25萬(wàn) m3/h螺桿泵1臺(tái)組成。

圖2 四級(jí)干式機(jī)械泵試驗(yàn)臺(tái)

系統(tǒng)抽氣量能力采用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量噴嘴法測(cè)試。通過(guò)噴嘴放入不同流量的測(cè)試氣體來(lái)測(cè)試系統(tǒng)性能。

為充分滿(mǎn)足鋼水精煉工藝對(duì)機(jī)械真空泵建立真空度、穩(wěn)定真空度、抽氣時(shí)間的要求，同時(shí)為模擬不同鋼水精煉工藝下的各種控制模式，試驗(yàn)臺(tái)配置了PLC變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)和自動(dòng)控制程序，能夠?qū)Ω骷?jí)各臺(tái)泵進(jìn)行不同頻率設(shè)定和控制程序調(diào)節(jié)。

測(cè)試的系統(tǒng)主要性能曲線,如圖3所示。

圖3 主要性能曲線

4.3 泵組集散式布置方案

中國(guó)重型院研發(fā)的機(jī)械真空泵系統(tǒng)采用級(jí)內(nèi)并聯(lián)、級(jí)間串聯(lián)、無(wú)需旁通的布置形式，如圖4所示。國(guó)內(nèi)外同類(lèi)真空系統(tǒng)一般采用多組并聯(lián)的模塊化真空泵組或采用級(jí)內(nèi)并聯(lián)級(jí)間串聯(lián)并布置旁通的形式。該布置方案具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積下、被抽容積小、所需閥門(mén)少的特點(diǎn)[10]。

圖4 四級(jí)機(jī)械系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

4.4 高效低阻力高真空氣體冷卻和過(guò)濾裝備與設(shè)計(jì)方法

機(jī)械泵的入口鋼液廢氣溫度和粉塵直接影響其工作效率和安全性，有效降低廢氣溫度和粉塵含量尤為重要。該系統(tǒng)的廢氣凈化方案如圖5所示。

圖5 廢氣冷卻除塵方案

根據(jù)高真空下氣流速度、粉塵最小分離粒徑、粘度系數(shù)等參數(shù)，開(kāi)發(fā)了高真空氣體冷卻和除塵系統(tǒng)。

4.4.1 新型氣體冷卻器

常用氣體冷卻器出口廢氣溫度經(jīng)常高于120 ℃，降溫效果有限，無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)械泵安全運(yùn)行需求。該公司研發(fā)的新型氣體冷卻器屬于插入式列管型換熱器，克服了常用氣體冷卻器僅外壁布置冷卻盤(pán)管導(dǎo)致?lián)Q熱面積小且效率底的問(wèn)題。如圖6所示，在進(jìn)氣腔和排氣腔內(nèi)，200～350 ℃的鋼水廢氣呈現(xiàn)紊流狀態(tài)，能夠充分與≤35 ℃冷卻水盤(pán)管2、3和水冷隔板4接觸，能被快速降低到60 ℃以下[11]。

圖6 新型列管氣冷器

4.4.2 真空管道設(shè)計(jì)的溫降修正法

系統(tǒng)通過(guò)不同長(zhǎng)度和管徑的抽氣管道，將真空槽、氣體冷卻除塵器、真空切斷閥、四級(jí)泵等多級(jí)機(jī)械真空系統(tǒng)設(shè)備相連，如圖5所示?，F(xiàn)有真空系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)存在盲目加大系統(tǒng)冷卻能力，造成氣體流阻增大、系統(tǒng)抽氣能力下降、泵體壓縮比升高、冷卻水耗量增加等問(wèn)題。針對(duì)技術(shù)缺陷，中國(guó)重型院研發(fā)了一種煉鋼用機(jī)械真空系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)的溫降修正法[12-13]，引入絕熱膨脹公式，即

(1)

式中，γ為真空氣體絕熱系數(shù)；Ti為修正后第j段管道廢氣溫度，℃，即煉鋼過(guò)程中滿(mǎn)足每區(qū)段設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的氣體絕熱冷卻后的目標(biāo)溫度；Tj為修正前第j段管道廢氣溫度，℃，即煉鋼過(guò)程中每區(qū)段管道內(nèi)廢氣的溫度；Vi為修正后第j段管道最小容積，m3，即煉鋼過(guò)程中實(shí)現(xiàn)每區(qū)段管道內(nèi)廢氣降溫的最小容積；VJ為修正前第j段管道理論容積，m3，即由管徑Dj計(jì)算得到。

(2)

式中，Dj為第j段管道理論直徑，m；Gj為第j段管道出口的機(jī)械泵抽氣量，kg/h；Pj為第j段管道內(nèi)真空度，Pa；vj為第j段管道內(nèi)氣體流速，m/s；k為折算系數(shù)。

3.4.3 高真空布袋過(guò)濾器濾料氣體阻力的估算方法

在RH真空精煉過(guò)程中，從鋼水中產(chǎn)生的大量粉塵，會(huì)隨著廢氣流入真空系統(tǒng)。為保護(hù)機(jī)械真空泵，需在真空泵前設(shè)置過(guò)濾器凈化廢氣。在實(shí)際應(yīng)用中，由于選取參數(shù)不良，導(dǎo)致布袋氣體阻力>20 Pa，不能滿(mǎn)足鋼水表面的真空度應(yīng)≤133 Pa的要求[14-15]。因此，中國(guó)重型院研發(fā)了一種高真空布袋過(guò)濾器濾料氣體阻力的估算方法[16-17]。

(1)估算高真空布袋過(guò)濾器濾料氣體阻力Δp1。

Δp1=ξ·μ·v

(3)

式中，v為布袋過(guò)濾風(fēng)速；μ為實(shí)際廢氣動(dòng)力粘度系數(shù)；ξ為布袋阻力系數(shù)。

(2)估算高真空布袋表面工藝粉塵層氣體阻力Δp2和過(guò)濾器結(jié)構(gòu)的氣體阻力Δp3。

(3)計(jì)算高真空布袋過(guò)濾器氣體阻力Δp=Δp1+Δp2+Δp3。

(4)通過(guò)計(jì)算所得Δp確定布袋有效過(guò)濾面積和濾料種類(lèi)。

通過(guò)計(jì)算獲得高真空布袋過(guò)濾器濾料氣體阻力≤20 Pa，然后結(jié)合高真空布袋表面工藝粉塵層氣體阻力和過(guò)濾器結(jié)構(gòu)的氣體阻力得到高真空布袋過(guò)濾器氣體阻力。通過(guò)對(duì)鋼水真空精煉時(shí)透過(guò)布袋過(guò)濾器濾料廢棄流動(dòng)狀態(tài)分析和布袋阻力分析，依據(jù)常壓下布袋綜合滲透率、綜合孔隙率、濾料透氣量等物性數(shù)據(jù)，對(duì)各種濾料在不同真空狀態(tài)下進(jìn)行廢氣阻力估算，以指導(dǎo)或評(píng)估實(shí)布袋有效過(guò)濾面積和濾料種類(lèi)的合理性，選取合理的參數(shù)，保證粉塵過(guò)濾效果；并且能夠在保證高真空下氣體阻力滿(mǎn)足鋼水精煉工藝要求范圍的同時(shí)，減少工藝時(shí)間，降低能耗，最大限度的降低生產(chǎn)成本。

4.5 計(jì)算機(jī)綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

在國(guó)內(nèi)外，用于真空精煉工藝的機(jī)械真空泵系統(tǒng)配套有電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，但其控制技術(shù)僅僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)械真空泵逐級(jí)起動(dòng)、運(yùn)行、停止基本控制，沒(méi)有隨精煉工藝的變化適應(yīng)性地調(diào)控機(jī)械真空泵運(yùn)行。現(xiàn)有電氣自動(dòng)化系統(tǒng)也缺少安全保護(hù)措施，或者僅靠安全扭矩一種保護(hù)，沒(méi)有考慮如溫度、粉塵、振動(dòng)、介質(zhì)、電氣系統(tǒng)等其他因素的保護(hù)措施?？傊?，現(xiàn)有控制技術(shù)對(duì)RH精煉工藝變化的響應(yīng)性弱、控制效率低、能耗高、安全性差、無(wú)智能化。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)缺陷，中國(guó)重型院研發(fā)了一種基于精煉工藝的機(jī)械真空系統(tǒng)的控制方法[18-20]。該方法的系統(tǒng)控制流程圖如圖7所示。該控制模型被分為預(yù)抽模式、進(jìn)泵模式、自由模式、輕處理模式、深脫氣模式、吹氧脫碳模式、待機(jī)模式、停機(jī)模式下的控制模型。

該機(jī)械真空系統(tǒng)控制模型在故障監(jiān)控模型下運(yùn)行，該故障監(jiān)控模型包括溫控防護(hù)模型、除塵防護(hù)模型、電流防護(hù)模型、振動(dòng)防護(hù)模型、變頻器故障防護(hù)模型、介質(zhì)異常防護(hù)模型。系統(tǒng)幾種防護(hù)模型的監(jiān)控流程圖如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

圖8 系統(tǒng)監(jiān)控流程圖

該綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及方法對(duì)真空精煉工藝變化的響應(yīng)性強(qiáng)、控制效率高、能耗低、安全性好。不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)械真空泵逐級(jí)變頻起動(dòng)、穩(wěn)速運(yùn)行和快速停止基本控制，而且能實(shí)現(xiàn)因真空精煉工藝方法和鋼液廢氣量變化對(duì)機(jī)械真空泵抽氣能力影響而進(jìn)行的機(jī)械真空泵系統(tǒng)適應(yīng)性調(diào)節(jié)，同時(shí)故障監(jiān)控具有設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的保護(hù)功能。

5 生產(chǎn)應(yīng)用

山鋼集團(tuán)日照公司的3座RH爐外精煉爐于2017年12月熱試成功。該系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示，系統(tǒng)由3級(jí)羅茨泵+1級(jí)螺桿泵共4級(jí)干式機(jī)械真空泵串并聯(lián)布置，采用變頻控制方式，氣體冷卻器給廢氣溫降，布袋除塵器用于廢氣除塵。鋼包公稱(chēng)容量210 t，平均處理周期35 min，每座日平均處理爐數(shù)≥30，年工作天數(shù)330，年處理鋼水量600萬(wàn)噸。經(jīng)過(guò)5年多的生產(chǎn)檢驗(yàn)，生產(chǎn)能力完全滿(mǎn)足要求，精煉鋼水合格率高，具備生產(chǎn)各規(guī)格品種鋼的能力。至2020年，已為業(yè)主新增產(chǎn)值約8.2億元，節(jié)省能源開(kāi)支約0.6億元，獲得了用戶(hù)好評(píng)。

表2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

6 現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比

以210 RH爐配套的真空系統(tǒng)為例，技術(shù)對(duì)比如表3所示。該系統(tǒng)及其裝備處于國(guó)際先進(jìn)水平。

表3 國(guó)內(nèi)外系統(tǒng)技術(shù)對(duì)比

7 結(jié)束語(yǔ)

自2016年底至今，中國(guó)重型院以EPC總承包形式先后完成了寶武韶鋼130 t VD爐、山鋼集團(tuán)日照210 t RH爐、河鋼集團(tuán)樂(lè)亭200 t RH爐、唐鋼中厚板120 t VD等以該系統(tǒng)及其核心技術(shù)為支撐的真空精煉項(xiàng)目。該系統(tǒng)具有高效、穩(wěn)定、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)的高附加值特種鋼現(xiàn)已銷(xiāo)往國(guó)內(nèi)外，獲得了用戶(hù)的高度認(rèn)可。

與原蒸汽真空泵系統(tǒng)噸鋼能耗相比，該系統(tǒng)噸鋼節(jié)能10～25倍，明顯提升了能源利用率，符合鋼鐵行業(yè)低碳節(jié)能的發(fā)展需求，有助于完成國(guó)家《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》的能效指標(biāo)任務(wù)。