煉鋼用低碳綠色機械真空泵系統研發與應用

吳建龍，趙 騰，馬正鋒，張 明,劉 蒙

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018)

0 前言

近年來，隨著國家對鋼鐵工業向低碳綠色發展和實現能源轉型升級的要求不斷提高，同時真空技術日新月異，鋼鐵企業對高效節能的新型機械真空泵系統取代原有蒸汽噴射真空泵系統的需求日趨旺盛[1]。

中國重型機械研究院股份公司自主研發的機械真空泵系統屬國內首次，獨立成套于鋼水精煉設備，其綜合性能達到國際先進水平。研發過程中，中國重型機械研究院股份公司克服了外方系統技術缺陷與不足，采用了若干創新技術，并進行了實驗研究和生產實踐，促進了工藝裝備更新換代，實現了噸鋼消耗標煤從3～10 kg降低到0.1～0.4 kg，獲得了噸鋼顯著的節能減碳效果，噸鋼可節省5～15元，取得了優異的社會經濟效益。

1 兩種真空泵系統的技術性能對比

真空泵系統的性能直接關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]，其合理性和優異性是實現系統運行可靠、高效節能根本因素。新提出的機械真空泵系統和原有的蒸汽噴射真空泵系統的綜合性能比較如表1所示[3-8]。

表1 真空泵系統技術性能對比

通過對比，在滿足相同鋼水精煉工藝指標的前提下，蒸汽噴射真空泵系統的噸鋼綜合能耗是機械真空泵系統的10～25倍，甚至更多，已不能適應國家對鋼鐵行業低碳節能發展的需求。因此，研發綠色高效的機械真空泵系統已成為大勢所趨和當務之急。

2 現狀調研與分析

中國重型院研究團隊深入調研了現有機械真空泵系統，梳理技術現狀與難點，分析技術缺陷和技術改進的方案。

(1)成套系統由國外公司開發與應用，技術壁壘嚴密。但系統技術不完善，存在多種缺陷，甚至不能滿足業主連續生產的基本需求。

(2)系統在惡劣的高溫多塵的鋼液廢氣條件下無法長時間穩定運行，存在泵選型和機組配置不合理、氣體冷卻和除塵效率低、運行控制方案不當等缺陷。

(3)現有系統性能不能充分滿足鋼水精煉的需求，存在抽氣能力小、時間長、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、依據精煉工藝變化的響應調控能力不足等缺陷。

(4)基于各種綜合因素，系統在鋼水精煉處理過程中并沒有發揮出預期的節能效果，存在提升空間。

3 研發目標

針對現有系統技術存在的缺陷與問題，中國重型院制定了研發目標。

(1)立足國內技術能力，掌握核心技術，獨立成套具有國際先進水平的穩定高效的機械真空系統及其裝備，充分滿足鋼水精煉的連續生產需求。

(2)為確保系統能夠在惡劣的高溫多塵的鋼水廢氣條件下長時間穩定運行，開發新型真空泵的選配模型與布置方案，研發高真空氣體冷卻和除塵的設計方法，最終實現日處理爐數大于30爐的需求。

(3)為適應鋼水精煉工藝需求和變化，研發基于變頻調控技術的計算機綜合協調控制系統，滿足高品質特種鋼水的穩定安全自動化生產的目標。

(4)依據調研結果和技術分析，新型真空泵系統的研發與應用，能提高系統節能效果。以210 t RH精煉爐為例，國外公司配套的系統噸鋼綜合電耗3.5 kW。中國重型院研發目標是精煉爐穩定運行，其綜合電耗小于3.5 kW。

4 主要研究內容

在近60年的鋼水精煉用真空系統研究與實踐基礎上，中國重型院依靠自身技術力量，創新性地研發了干式機械真空泵系統配泵模型、四級機械泵實驗平臺、泵組集散式布置方案、高效低阻力高真空氣體冷卻和過濾裝備與設計方法、計算機綜合協調控制系統與操作方法等系統成套的新技術。

4.1 干式機械配泵模型

只有建立實用的機械泵選型模型，才能準確合理地選擇機械泵，使得系統能適應復雜的真空精煉工藝需求，并均被長期穩定運行的根本條件[9]。選型模型流程圖如圖1所示。圖中δT為泵進出口溫升；δT允為泵進出口允許溫升；t為抽氣時間；t允為許抽氣時間。

圖1 選型模型流程圖

4.2 試驗平臺

為實際測試真空系統抽氣能力、穩定運行條件、自動化控制程序和模擬不同工藝下的各種控制模式，中國重型院創建了國內首套用于鋼液真空精煉的四級全干式機械泵試驗臺，如圖2所示。該試驗臺由第一級4.6萬m3/h抽速羅茨泵2臺+第二級0.95萬m3/h抽速羅茨泵2臺+第三級0.55萬m3/h羅茨泵1臺+第四級0.25萬 m3/h螺桿泵1臺組成。

圖2 四級干式機械泵試驗臺

系統抽氣量能力采用標準質量流量噴嘴法測試。通過噴嘴放入不同流量的測試氣體來測試系統性能。

為充分滿足鋼水精煉工藝對機械真空泵建立真空度、穩定真空度、抽氣時間的要求，同時為模擬不同鋼水精煉工藝下的各種控制模式，試驗臺配置了PLC變頻調節系統和自動控制程序，能夠對各級各臺泵進行不同頻率設定和控制程序調節。

測試的系統主要性能曲線,如圖3所示。

圖3 主要性能曲線

4.3 泵組集散式布置方案

中國重型院研發的機械真空泵系統采用級內并聯、級間串聯、無需旁通的布置形式，如圖4所示。國內外同類真空系統一般采用多組并聯的模塊化真空泵組或采用級內并聯級間串聯并布置旁通的形式。該布置方案具有結構緊湊、占地面積下、被抽容積小、所需閥門少的特點[10]。

圖4 四級機械系統流程簡圖

4.4 高效低阻力高真空氣體冷卻和過濾裝備與設計方法

機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。該系統的廢氣凈化方案如圖5所示。

圖5 廢氣冷卻除塵方案

根據高真空下氣流速度、粉塵最小分離粒徑、粘度系數等參數，開發了高真空氣體冷卻和除塵系統。

4.4.1 新型氣體冷卻器

常用氣體冷卻器出口廢氣溫度經常高于120 ℃，降溫效果有限，無法滿足機械泵安全運行需求。該公司研發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管導致換熱面積小且效率底的問題。如圖6所示，在進氣腔和排氣腔內，200～350 ℃的鋼水廢氣呈現紊流狀態，能夠充分與≤35 ℃冷卻水盤管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 真空管道設計的溫降修正法

系統通過不同長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、四級泵等多級機械真空系統設備相連，如圖5所示。現有真空系統管道設計存在盲目加大系統冷卻能力，造成氣體流阻增大、系統抽氣能力下降、泵體壓縮比升高、冷卻水耗量增加等問題。針對技術缺陷，中國重型院研發了一種煉鋼用機械真空系統管道設計的溫降修正法[12-13]，引入絕熱膨脹公式，即

(1)

式中，γ為真空氣體絕熱系數；Ti為修正后第j段管道廢氣溫度，℃，即煉鋼過程中滿足每區段設備穩定運行的氣體絕熱冷卻后的目標溫度；Tj為修正前第j段管道廢氣溫度，℃，即煉鋼過程中每區段管道內廢氣的溫度；Vi為修正后第j段管道最小容積，m3，即煉鋼過程中實現每區段管道內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段管道出口的機械泵抽氣量，kg/h；Pj為第j段管道內真空度，Pa；vj為第j段管道內氣體流速，m/s；k為折算系數。

3.4.3 高真空布袋過濾器濾料氣體阻力的估算方法

在RH真空精煉過程中，從鋼水中產生的大量粉塵，會隨著廢氣流入真空系統。為保護機械真空泵，需在真空泵前設置過濾器凈化廢氣。在實際應用中，由于選取參數不良，導致布袋氣體阻力>20 Pa，不能滿足鋼水表面的真空度應≤133 Pa的要求[14-15]。因此，中國重型院研發了一種高真空布袋過濾器濾料氣體阻力的估算方法[16-17]。

(1)估算高真空布袋過濾器濾料氣體阻力Δp1。

Δp1=ξ·μ·v

(3)

式中，v為布袋過濾風速；μ為實際廢氣動力粘度系數；ξ為布袋阻力系數。

(2)估算高真空布袋表面工藝粉塵層氣體阻力Δp2和過濾器結構的氣體阻力Δp3。

(3)計算高真空布袋過濾器氣體阻力Δp=Δp1+Δp2+Δp3。

(4)通過計算所得Δp確定布袋有效過濾面積和濾料種類。

通過計算獲得高真空布袋過濾器濾料氣體阻力≤20 Pa，然后結合高真空布袋表面工藝粉塵層氣體阻力和過濾器結構的氣體阻力得到高真空布袋過濾器氣體阻力。通過對鋼水真空精煉時透過布袋過濾器濾料廢棄流動狀態分析和布袋阻力分析，依據常壓下布袋綜合滲透率、綜合孔隙率、濾料透氣量等物性數據，對各種濾料在不同真空狀態下進行廢氣阻力估算，以指導或評估實布袋有效過濾面積和濾料種類的合理性，選取合理的參數，保證粉塵過濾效果；并且能夠在保證高真空下氣體阻力滿足鋼水精煉工藝要求范圍的同時，減少工藝時間，降低能耗，最大限度的降低生產成本。

4.5 計算機綜合協調控制系統

在國內外，用于真空精煉工藝的機械真空泵系統配套有電氣自動化系統，但其控制技術僅僅實現了機械真空泵逐級起動、運行、停止基本控制，沒有隨精煉工藝的變化適應性地調控機械真空泵運行。現有電氣自動化系統也缺少安全保護措施，或者僅靠安全扭矩一種保護，沒有考慮如溫度、粉塵、振動、介質、電氣系統等其他因素的保護措施。總之，現有控制技術對RH精煉工藝變化的響應性弱、控制效率低、能耗高、安全性差、無智能化。

針對現有技術缺陷，中國重型院研發了一種基于精煉工藝的機械真空系統的控制方法[18-20]。該方法的系統控制流程圖如圖7所示。該控制模型被分為預抽模式、進泵模式、自由模式、輕處理模式、深脫氣模式、吹氧脫碳模式、待機模式、停機模式下的控制模型。

該機械真空系統控制模型在故障監控模型下運行，該故障監控模型包括溫控防護模型、除塵防護模型、電流防護模型、振動防護模型、變頻器故障防護模型、介質異常防護模型。系統幾種防護模型的監控流程圖如圖8所示。

圖7 系統控制流程圖

圖8 系統監控流程圖

該綜合協調控制系統及方法對真空精煉工藝變化的響應性強、控制效率高、能耗低、安全性好。不僅實現了機械真空泵逐級變頻起動、穩速運行和快速停止基本控制，而且能實現因真空精煉工藝方法和鋼液廢氣量變化對機械真空泵抽氣能力影響而進行的機械真空泵系統適應性調節，同時故障監控具有設備長期穩定運行的保護功能。

5 生產應用

山鋼集團日照公司的3座RH爐外精煉爐于2017年12月熱試成功。該系統主要技術指標如表2所示，系統由3級羅茨泵+1級螺桿泵共4級干式機械真空泵串并聯布置，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。鋼包公稱容量210 t，平均處理周期35 min，每座日平均處理爐數≥30，年工作天數330，年處理鋼水量600萬噸。經過5年多的生產檢驗，生產能力完全滿足要求，精煉鋼水合格率高，具備生產各規格品種鋼的能力。至2020年，已為業主新增產值約8.2億元，節省能源開支約0.6億元，獲得了用戶好評。

表2 系統主要技術指標

6 現有技術對比

以210 RH爐配套的真空系統為例，技術對比如表3所示。該系統及其裝備處于國際先進水平。

表3 國內外系統技術對比

7 結束語

自2016年底至今，中國重型院以EPC總承包形式先后完成了寶武韶鋼130 t VD爐、山鋼集團日照210 t RH爐、河鋼集團樂亭200 t RH爐、唐鋼中厚板120 t VD等以該系統及其核心技術為支撐的真空精煉項目。該系統具有高效、穩定、操作便捷等優點，生產的高附加值特種鋼現已銷往國內外，獲得了用戶的高度認可。

與原蒸汽真空泵系統噸鋼能耗相比，該系統噸鋼節能10～25倍，明顯提升了能源利用率，符合鋼鐵行業低碳節能的發展需求，有助于完成國家《工業綠色發展規劃》的能效指標任務。