钢液真空精炼用全干式真空泵系统的设计及应用

杨荣林

(浙江杭真能源科技股份有限公司，浙江 杭州 310000)

真空精炼作为提高钢水质量、产品品质的行之有效工艺手段，已被广泛应用于各大炼钢企业。真空精炼中为了脱除钢液中的有害气体以及较高蒸汽压的有害元素成分来满足钢液质量预定目标值，钢液就需要在密闭的真空环境下进行处理，而获得合格的真空环境需通过大型的真空泵系统抽吸来实现。对于钢液真空精炼而言，蒸汽射流真空系统和干式真空泵系统都能满足系统抽真空的要求[1]。

1 现状分析

1.1 蒸汽射流真空泵系统

目前用来抽真空的真空泵系统的形式绝大多数采用蒸汽射流真空泵或蒸汽射流真空泵+水环泵，均是由锅炉产生的中低压蒸汽通过拉瓦尔喷嘴喷出，由于高速气流的引射作用，使与蒸汽射流真空泵连接的真空室内形成真空。但是，目前这种蒸汽射流真空泵或蒸汽射流真空泵+水环泵的形式已越来越不适应当前以及将来真空技术发展的需要，其主要弊端体现在以下几个方面：

(1)能耗大，运行成本高。蒸汽射流真空泵的工作介质是中低压蒸汽，而蒸汽的产生需要蒸汽锅炉，锅炉的燃料不外乎石油、天然气以及煤炭这些化石原料，从化石原料燃烧到产生蒸汽，锅炉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，导致最终的蒸汽射流真空泵的能源利用效率在12%～24%，能源浪费很大。同时，由于蒸汽的冷却需要大量的冷却水，每吨蒸汽的冷却水耗量在80 t左右，用量很大。

(2)环保性差。锅炉使用化石原料的燃烧产生固废、废气及粉尘，给周边生态环境造成很大损害。同时，由于蒸汽的冷却需要大量的冷却水，且冷却水与烟尘混合后，水污染严重，不好处理。

(3)设备体积庞大，占用空间大。锅炉、水处理等设备需很大的摆放空间，而蒸汽射流真空泵设备的摆放高度更是达20 m以上，对厂区空间提出更高要求。

(4)工作环境差。蒸汽射流真空泵工作过程中产生的噪音一般都达到100 dB以上，可能严重损伤人员的听力；同时，锅炉以及高温蒸汽的使用，存在着跑、冒、滴、漏、易燃易爆的风险。

1.2 干式真空泵系统

早在1920年，德国的Wilhelm Rohn就将第一套全干式真空泵系统应用在Heracus Gmbh的4 t有色金属真空感应炉上[2]。近年来，随着机械制造业技术水平的不断提高，干式真空泵的大型化得以实现，同时实现了干式真空泵的规模化生产，大大降低了设备的使用成本。同时伴随着烟气预处理系统的完善，干式真空泵系统的技术得到了极大提升，而干式真空泵系统固有的低运行成本的优势也得到了充分的发挥，因此干式真空泵系统在钢水真空脱气领域又得以重新重视并应用。干式真空泵系统具有的优点如下：

(1)运行成本低，约为蒸汽射流真空泵系统的10%～20%。

(2)节能环保，只需要消耗电力，不产生任何固废、污水和废气。

(3)设备紧凑，节省大量空间。

(4)工作环境友好。噪音水平低，不存在高温高压危险。

21世纪初，西安迈特瑞公司以及浙江杭真能源科技股份有限公司的VD炼钢全干式真空泵系统分别在莱芜特钢、永联钢铁、淄博张钢、沙钢等大型钢铁企业得到应用。另外，在大型装备行业的真空铸锭工艺上也有了开拓性的应用，如太原重工、中信重机、邢台轧辊等行业企业。

现以某钢厂特钢项目为例介绍100 t VD全干式真空泵系统设计方案及应用情况。

2 100 t VD干式真空泵系统设计条件

2.1 工程背景

某钢厂特钢项目产品定位为优、特钢品种。其主要工艺配置：1座100 t电炉、1台钢包精炼炉、1台100 t VD真空炉、1台超薄带连铸机。其产品规模与品种：连铸薄带50万吨/年；产品大纲以薄规格带钢为主，有无取向硅钢、高频系列硅钢、高磁感系列硅钢、高强度系列硅钢等。

2.2 设计基本数据

全干式真空泵系统设计基本数据见表1。

表1 全干式真空泵系统基本设计数据

3 全干式真空泵系统的设计与配置

3.1 100 t VD真空泵系统抽气性能计算

3.1.1 67 Pa下抽气速率计算

真空脱气类钢液放气量见表2[3]。

表2 每吨钢液真空放气量

对于脱氧钢种，每吨钢液放气量[3]Q1为每吨钢液放出氢气量QH、放出氮气量QN、放出CO气量QCO之和，即：

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

(1)

按每炉处理钢液量100 t、处理时间30 min折算，即每炉放气速率：

Sp1=63.4 m3/h

(2)

底吹氩气速率：Sp2=36 m3/h

电视摄像用氮气速率：Sp3=20 m3/h

泄漏气体速率：Sp4=20 m3/h

则：Sp=Sp1+Sp2+Sp3+Sp4=139.4 m3/h

(3)

转换算成67 Pa下，20℃的放气速率：

SP(67Pa)=226196 m3/h

(4)

根据以上计算结果，并与国内厂家100 t VD实际情况比较后，确定真空泵在67 Pa下的抽气速率为250000 m3/h。国内其它钢厂VD抽气速率数据见表3。

表3 国内其它钢厂VD抽气速率

3.1.2 抽气时间的计算

干式泵抽气时间计算见式(5)[3]：

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

(5)

若忽略p0，则式(5)可以简化为式(6)[3]：

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

(6)

式中，t为抽气时间(s)；V为被抽真空设备容积(L)；Sp为泵的名义抽速(L/s)；p为经t时间抽气后的压力(Pa)；p0为真空设备的极限压力(Pa)；pi为设备开始抽气时的压力(Pa)；Kg为修正系数，与设备抽气终止时的压强p有关，见表4[3]。

表4 修正系数Kg

根据钢厂VD真空脱气时间一般要求为：真空室内从大气压降至67 Pa的时间应≤7 min。

3.2 真空泵系统配置

3.2.1 烟气预处理系统

烟气预处理系统包括1台气体冷却器、1台滤袋除尘器，设置在干式真空泵系统前端[4]。烟气预处理系统主要考虑气体冷却效果、过滤效果及阻力降这3个指标。一般要求烟气温度能冷却至50℃以下，过滤效果达到5 μm以下，阻力降≤10 Pa以下。

(1)气体冷却器

气体冷却器将确保真空处理过程中，滤袋除尘器不会暴露在热负荷过大的环境中。为了保证高真空状态下废气的流通面积，减少气体阻力降，换热管废气流通面积必须保证。

(2)滤袋除尘器

炼钢粉尘是影响干式真空泵正常运行的主要原因，在炼钢粉尘进入干式真空前必须有效地去除，本系统采用滤袋除尘器过滤废气中的灰尘，该滤袋除尘器的滤袋采用金属膜柔性材料，有效地除去μm级的灰尘。在每次处理间隙，采用氮气脉冲反吹形式将滤袋上的积灰吹下来，收到灰斗内。

该除尘器设计特点：

1)耐高温：金属膜材料由金属粉末烧结而成，最多可耐超过500℃高温，可有效对抗火星颗粒；

2)低流阻：高气体通量，平衡后的最大阻力降≤10 Pa；

3)满足VD工艺任何阶段的烟气处理要求。

滤袋除尘器的性能参数见表5。

表5 滤袋除尘器性能参数

3.2.2 干式泵组选型

用于钢水真空脱气的真空泵组一般通过两项参数来定义：泵组的级数以及泵的种类，每一级泵的大小和数量。两项参数都是由系统根据具体工艺所需的抽气能力决定的[5]。从一个大气压(101300 Pa)下到达所要求的最低真空度(通常为67 Pa)，每种泵所能承受的压差决定了每级泵的种类和数量。考虑到大排量罗茨泵无法承受高压差，设计上采用了罗茨真空泵和拥有高压缩比低排气量的螺杆泵组合抽气的方案。

100 t VD真空泵组包含了4级泵组：3级罗茨真空泵和1级螺杆泵。每级泵的数量都是根据所要求的气体流量(抽气能力)和合理的压缩比决定的。并考虑到泵的价格、可靠性、维护和冗余(在泵事故停止或者维护的情况下能够不影响正常的真空脱气处理)来进行优化。具体配置见表6。

表6 干式真空泵系统配置表

(1)1级泵组

1级泵组包括7台在67 Pa下抽气能力为40000 m3/h的罗茨泵，因此1级泵的抽气能力为280000 m3/h。此级泵在真空度低于3000 Pa时运行。所有的泵都用变频器控制，这一级的装机容量为259 kW，而正常运行时只需消耗100～120 kW。

(2)2级泵组

2级泵组包括2台额定抽气能力为40000 m3/h的罗茨泵，因此二级的抽气能力为80000 m3/h，此级泵在真空度低于5000 Pa时运行。所有的泵都用变频器控制。这一级泵的总装机容量为74 kW，而正常运行时只需消耗30～40 kW。

(3)3级泵组

3级泵组包括3台带有气体冷却、额定抽气能力为8000 m3/h的罗茨泵。3级泵总的有效抽气能力为24000 m3/h。这一级泵的装机容量为111 kW，实际运行下的消耗为50～90 kW。

(4)4级泵组

4级泵组包括3台干式螺杆泵，每台都带有75 kW的电机，其抽气能力为2500 m3/h，可以最大承受100000 Pa的压差。这一级的装机容量为225 kW，实际消耗约为180 kW。

以上配置方案中的每台泵前后均设置有真空切断阀门，方便任意一台出现问题时，随时可以切换。同时在每台泵内部均设置嵌入式温度、压力、振动传感器，使每台泵的工作状态能集中显示在控制室控制中心的大屏幕显示器上，方便人员监控和操作。

3.2.3 干式泵的控制系统

干式泵的运行是通过逻辑控制率来控制的，逻辑控制率通过提取各级罗茨泵以及螺杆泵的参数(如压差、温度以及每级之间的压缩比等)，并结合系统的工艺要求，各个参数的实时发生变化，能给出最佳的运行曲线；另外，为了安全，逻辑控制率还限定了系统的运行包线，使干式泵只能在其包线范围内运行。

3.3 100 t VD干式泵系统性能计算结果

根据100 t VD干式泵系统的配置，计算并绘出系统抽速性能图(图1)、系统抽气时间图(图2)。由图1、图2可以看出，设计配置的100 t VD干式真空泵系统，经多次工程实践，实际抽气速率在67 Pa工作压力下达到了28.8万m3/h，抽气时间小于308 s，抽气速率、工作压力以及抽气时间均能满足设计要求，达到了很好的使用效果。

图1 系统抽速

图2 系统抽气时间

4 全干式真空泵系统实际应用情况

全干式真空泵系统一次性热负荷试车成功以来，经过3000余炉钢的生产验证，除尘与气体冷却系统、真空系统运行正常，全干式真空泵系统满足VD工艺的要求。

4.1 真空系统运行能耗比较

由表7可知，100 t VD采用全干式真空泵系统比采用蒸汽射流真空系统吨钢运行成本可节约13.975元，约节约85%。如按年处理50万t钢水能力计算，则年节约成本可达698.75万元。虽然本项目全干式真空泵系统一次性投资比蒸汽射流真空系统高1000万元左右，但通过上述对比可知，1.5年即可回收投资。

表7 全干式真空泵系统与蒸汽射流真空系统运行能耗比较

4.2 真空系统运行性能比较

因蒸汽射流真空系统运行时蒸汽以及冷却水等介质的压力、温度、流量都在发生变化，因此其真空性能也在不断的发生波动，因此真空的稳定性受限于介质的稳定性。而全干式真空泵系统仅仅只需要稳定的电能供应即可，而电网的稳定性远胜于蒸汽的稳定性。特别是当夏天水温较高时，蒸汽射流真空系统的真空性能急剧下降，甚至常常影响正常的生产。

4.3 真空系统故障判断比较

因蒸汽射流真空系统出现故障时一般难以直接判断哪个地方出现问题，通常需要排除法来进行判断，因此其出现故障时，解决问题非常麻烦，需要经验非常丰富的资深工程师，而干式真空泵系统出现故障时，均能在显示器终端得到显示。

5 干式真空泵系统运行中存在的问题及对策

(1)滤袋除尘器滤袋清灰通过氮气反吹处理后，存在清理不干净的现象，导致滤袋流阻增加，因此需把滤袋取出，进行清洗后再进行使用，比较耗时耗力，同时还影响正常生产节奏，因此，有必要设计成双滤袋除尘器形式，一用一备。

(2)干式真空泵机组放置于泵房内，泵运行时，产生较大的热量，需设置大功率空调，用于改善室内环境。

(3)干式真空泵系统内的每台泵均设置压力、温度、流量等监测元件，一旦有故障能在显示器终端显示，但是没有进一步开发智能分析平台，不能做到实时分析系统的健康状况，智能化、数据化水平有待提高。

(4)工厂的冷却水质量达不到干式真空泵的使用要求，经常发生冷却水管的过滤器堵塞，造成设备报警，需要进行人工清理，有必要采用纯净水水源，并进行冷却水闭环循环。

6 结语

通过对100 t VD干式真空泵系统抽气能力指标的设计、系统设备的配置，对比分析了同规模蒸汽射流真空泵系统方案的经济性、稳定性、可靠性，结果表明：(1)VD炉采用干式机械泵真空系统，其工艺指标和冶金效果与蒸汽射流真空泵系统真空系统相当，完全可以同等替代。(2)干式机械泵真空系统运行更为可靠，不受蒸汽温度、压力影响，其设备停产间隔时间长，维护简便，生产组织更加灵活。(3)干式机械泵真空系统相比蒸汽射流真空泵系统真空系统，吨钢运行成本可节约13.975元，节约率85%，经济效益好，同时也能为国家的节能环保事业贡献力量，值得在钢铁行业大范围推广。