鋼液真空精煉用全干式真空泵系統的設計及應用

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量、產品品質的行之有效工藝手段，已被廣泛應用于各大煉鋼企業(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量預定目標值，鋼液就需要在密閉的真空環(huán)境下進行處理，而獲得合格的真空環(huán)境需通過大型的真空泵系統抽吸來實現。對于鋼液真空精煉而言，蒸汽射流真空系統和干式真空泵系統都能滿足系統抽真空的要求[1]。

1 現狀分析

1.1 蒸汽射流真空泵系統

目前用來抽真空的真空泵系統的形式絕大多數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當前以及將來真空技術發(fā)展的需要，其主要弊端體現在以下幾個方面：

(1)能耗大，運行成本高。蒸汽射流真空泵的工作介質是中低壓蒸汽，而蒸汽的產生需要蒸汽鍋爐，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%，能源浪費很大。同時，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，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，水污染嚴重，不好處理。

(3)設備體積龐大，占用空間大。鍋爐、水處理等設備需很大的擺放空間，而蒸汽射流真空泵設備的擺放高度更是達20 m以上，對廠區(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生的噪音一般都達到100 dB以上，可能嚴重損傷人員的聽力；同時，鍋爐以及高溫蒸汽的使用，存在著跑、冒、滴、漏、易燃易爆的風險。

1.2 干式真空泵系統

早在1920年，德國的Wilhelm Rohn就將第一套全干式真空泵系統應用在Heracus Gmbh的4 t有色金屬真空感應爐上[2]。近年來，隨著機械制造業(yè)技術水平的不斷提高，干式真空泵的大型化得以實現，同時實現了干式真空泵的規(guī)?；a，大大降低了設備的使用成本。同時伴隨著煙氣預處理系統的完善，干式真空泵系統的技術得到了極大提升，而干式真空泵系統固有的低運行成本的優(yōu)勢也得到了充分的發(fā)揮，因此干式真空泵系統在鋼水真空脫氣領域又得以重新重視并應用。干式真空泵系統具有的優(yōu)點如下：

(1)運行成本低，約為蒸汽射流真空泵系統的10%～20%。

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

(3)設備緊湊，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。

21世紀初，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分別在萊蕪特鋼、永聯鋼鐵、淄博張鋼、沙鋼等大型鋼鐵企業(yè)得到應用。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用，如太原重工、中信重機、邢臺軋輥等行業(yè)企業(yè)。

現以某鋼廠特鋼項目為例介紹100 t VD全干式真空泵系統設計方案及應用情況。

2 100 t VD干式真空泵系統設計條件

2.1 工程背景

某鋼廠特鋼項目產品定位為優(yōu)、特鋼品種。其主要工藝配置：1座100 t電爐、1臺鋼包精煉爐、1臺100 t VD真空爐、1臺超薄帶連鑄機。其產品規(guī)模與品種：連鑄薄帶50萬噸/年；產品大綱以薄規(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、高強度系列硅鋼等。

2.2 設計基本數據

全干式真空泵系統設計基本數據見表1。

表1 全干式真空泵系統基本設計數據

3 全干式真空泵系統的設計與配置

3.1 100 t VD真空泵系統抽氣性能計算

3.1.1 67 Pa下抽氣速率計算

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、放出氮氣量QN、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

電視攝像用氮氣速率：Sp3=20 m3/h

泄漏氣體速率：Sp4=20 m3/h

則：Sp=Sp1+Sp2+Sp3+Sp4=139.4 m3/h

(3)

轉換算成67 Pa下，20℃的放氣速率：

SP(67Pa)=226196 m3/h

(4)

根據以上計算結果，并與國內廠家100 t VD實際情況比較后，確定真空泵在67 Pa下的抽氣速率為250000 m3/h。國內其它鋼廠VD抽氣速率數據見表3。

表3 國內其它鋼廠VD抽氣速率

3.1.2 抽氣時間的計算

干式泵抽氣時間計算見式(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為抽氣時間(s)；V為被抽真空設備容積(L)；Sp為泵的名義抽速(L/s)；p為經t時間抽氣后的壓力(Pa)；p0為真空設備的極限壓力(Pa)；pi為設備開始抽氣時的壓力(Pa)；Kg為修正系數，與設備抽氣終止時的壓強p有關，見表4[3]。

表4 修正系數Kg

根據鋼廠VD真空脫氣時間一般要求為：真空室內從大氣壓降至67 Pa的時間應≤7 min。

3.2 真空泵系統配置

3.2.1 煙氣預處理系統

煙氣預處理系統包括1臺氣體冷卻器、1臺濾袋除塵器，設置在干式真空泵系統前端[4]。煙氣預處理系統主要考慮氣體冷卻效果、過濾效果及阻力降這3個指標。一般要求煙氣溫度能冷卻至50℃以下，過濾效果達到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，濾袋除塵器不會暴露在熱負荷過大的環(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行的主要原因，在煉鋼粉塵進入干式真空前必須有效地去除，本系統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級的灰塵。在每次處理間隙，采用氮氣脈沖反吹形式將濾袋上的積灰吹下來，收到灰斗內。

該除塵器設計特點：

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

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見表5。

表5 濾袋除塵器性能參數

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參數來定義：泵組的級數以及泵的種類，每一級泵的大小和數量。兩項參數都是由系統根據具體工藝所需的抽氣能力決定的[5]。從一個大氣壓(101300 Pa)下到達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泵的種類和數量。考慮到大排量羅茨泵無法承受高壓差，設計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級泵組：3級羅茨真空泵和1級螺桿泵。每級泵的數量都是根據所要求的氣體流量(抽氣能力)和合理的壓縮比決定的。并考慮到泵的價格、可靠性、維護和冗余(在泵事故停止或者維護的情況下能夠不影響正常的真空脫氣處理)來進行優(yōu)化。具體配置見表6。

表6 干式真空泵系統配置表

(1)1級泵組

1級泵組包括7臺在67 Pa下抽氣能力為40000 m3/h的羅茨泵，因此1級泵的抽氣能力為280000 m3/h。此級泵在真空度低于3000 Pa時運行。所有的泵都用變頻器控制，這一級的裝機容量為259 kW，而正常運行時只需消耗100～120 kW。

(2)2級泵組

2級泵組包括2臺額定抽氣能力為40000 m3/h的羅茨泵，因此二級的抽氣能力為80000 m3/h，此級泵在真空度低于5000 Pa時運行。所有的泵都用變頻器控制。這一級泵的總裝機容量為74 kW，而正常運行時只需消耗30～40 kW。

(3)3級泵組

3級泵組包括3臺帶有氣體冷卻、額定抽氣能力為8000 m3/h的羅茨泵。3級泵總的有效抽氣能力為24000 m3/h。這一級泵的裝機容量為111 kW，實際運行下的消耗為50～90 kW。

(4)4級泵組

4級泵組包括3臺干式螺桿泵，每臺都帶有75 kW的電機，其抽氣能力為2500 m3/h，可以最大承受100000 Pa的壓差。這一級的裝機容量為225 kW，實際消耗約為180 kW。

以上配置方案中的每臺泵前后均設置有真空切斷閥門，方便任意一臺出現問題時，隨時可以切換。同時在每臺泵內部均設置嵌入式溫度、壓力、振動傳感器，使每臺泵的工作狀態(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

干式泵的運行是通過邏輯控制率來控制的，邏輯控制率通過提取各級羅茨泵以及螺桿泵的參數(如壓差、溫度以及每級之間的壓縮比等)，并結合系統的工藝要求，各個參數的實時發(fā)生變化，能給出最佳的運行曲線；另外，為了安全，邏輯控制率還限定了系統的運行包線，使干式泵只能在其包線范圍內運行。

3.3 100 t VD干式泵系統性能計算結果

根據100 t VD干式泵系統的配置，計算并繪出系統抽速性能圖(圖1)、系統抽氣時間圖(圖2)。由圖1、圖2可以看出，設計配置的100 t VD干式真空泵系統，經多次工程實踐，實際抽氣速率在67 Pa工作壓力下達到了28.8萬m3/h，抽氣時間小于308 s，抽氣速率、工作壓力以及抽氣時間均能滿足設計要求，達到了很好的使用效果。

圖1 系統抽速

圖2 系統抽氣時間

4 全干式真空泵系統實際應用情況

全干式真空泵系統一次性熱負荷試車成功以來，經過3000余爐鋼的生產驗證，除塵與氣體冷卻系統、真空系統運行正常，全干式真空泵系統滿足VD工藝的要求。

4.1 真空系統運行能耗比較

由表7可知，100 t VD采用全干式真空泵系統比采用蒸汽射流真空系統噸鋼運行成本可節(jié)約13.975元，約節(jié)約85%。如按年處理50萬t鋼水能力計算，則年節(jié)約成本可達698.75萬元。雖然本項目全干式真空泵系統一次性投資比蒸汽射流真空系統高1000萬元左右，但通過上述對比可知，1.5年即可回收投資。

表7 全干式真空泵系統與蒸汽射流真空系統運行能耗比較

4.2 真空系統運行性能比較

因蒸汽射流真空系統運行時蒸汽以及冷卻水等介質的壓力、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，因此真空的穩(wěn)定性受限于介質的穩(wěn)定性。而全干式真空泵系統僅僅只需要穩(wěn)定的電能供應即可，而電網的穩(wěn)定性遠勝于蒸汽的穩(wěn)定性。特別是當夏天水溫較高時，蒸汽射流真空系統的真空性能急劇下降，甚至常常影響正常的生產。

4.3 真空系統故障判斷比較

因蒸汽射流真空系統出現故障時一般難以直接判斷哪個地方出現問題，通常需要排除法來進行判斷，因此其出現故障時，解決問題非常麻煩，需要經驗非常豐富的資深工程師，而干式真空泵系統出現故障時，均能在顯示器終端得到顯示。

5 干式真空泵系統運行中存在的問題及對策

(1)濾袋除塵器濾袋清灰通過氮氣反吹處理后，存在清理不干凈的現象，導致濾袋流阻增加，因此需把濾袋取出，進行清洗后再進行使用，比較耗時耗力，同時還影響正常生產節(jié)奏，因此，有必要設計成雙濾袋除塵器形式，一用一備。

(2)干式真空泵機組放置于泵房內，泵運行時，產生較大的熱量，需設置大功率空調，用于改善室內環(huán)境。

(3)干式真空泵系統內的每臺泵均設置壓力、溫度、流量等監(jiān)測元件，一旦有故障能在顯示器終端顯示，但是沒有進一步開發(fā)智能分析平臺，不能做到實時分析系統的健康狀況，智能化、數據化水平有待提高。

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

6 結語

通過對100 t VD干式真空泵系統抽氣能力指標的設計、系統設備的配置，對比分析了同規(guī)模蒸汽射流真空泵系統方案的經濟性、穩(wěn)定性、可靠性，結果表明：(1)VD爐采用干式機械泵真空系統，其工藝指標和冶金效果與蒸汽射流真空泵系統真空系統相當，完全可以同等替代。(2)干式機械泵真空系統運行更為可靠，不受蒸汽溫度、壓力影響，其設備停產間隔時間長，維護簡便，生產組織更加靈活。(3)干式機械泵真空系統相比蒸汽射流真空泵系統真空系統，噸鋼運行成本可節(jié)約13.975元，節(jié)約率85%，經濟效益好，同時也能為國家的節(jié)能環(huán)保事業(yè)貢獻力量，值得在鋼鐵行業(yè)大范圍推廣。