06 机械真空泵系统用于钢水的真空二次精炼

机械真空泵系统用于钢水的真空二次精炼

Anke Teeuwsen

Simon Bruce Edwards, Manor Royal, Crawley, RH10 9LW

干式机械泵作为用于真空脱气工厂的特殊真空技术，越来越多地取代了传统的蒸汽喷射器，并且此趋势正在加速发展。与蒸汽喷射器相比，干式机械泵运行成本低、对环境的影响少，这都增加了其使用的砝码。鉴于人们对于能在真空设备上进行二次精炼的极大的需求，高可靠性和过硬的性能也是人们使用干式机械泵的关键因素。

随着钢铁公司意识到了通过改进产品质量、提供更多特级钢来增加产品附加价值的机遇，因此对于新建工厂和升级现有工厂中钢水真空脱气工艺的投资继续加大。由于全球的能耗成本持续增长，在钢包精炼区域使用干式机械真空泵已经成为即便是较大钢包冶炼的现代标准。

15年来，机械真空泵系统已在40多个现代化钢铁厂的现场运行中证明极为可靠。该系统开始用于真空脱气（VD），随后又越来越多地用于真空吹氧脱碳（VOD），最近3年更是应用在真空循环脱气（RH）上。大型罗茨式真空增压泵专为高粉尘环境而设计，在前级干式机械泵系统的配合下，成为了此类机械真空脱气系统的重要组成部分。

发展历史

stem since the mechanical boosters were backed by water sealed liquid ring pumps (LRPs) (Figure 1).干式运行机械真空泵并不是新事物，自从上世纪20年代起就已在冶金业里用来脱气。1920年，在德国W.C.赫利仕有限公司的厂房中，Wilhelm Rohn组织安装了第一台罗茨式机械真空增压泵。他们在真空感应炉中倒入了重达4吨的有色金属，工艺压力为2.7 mbar / 2 torr到6.7 mbar / 5 torr，温度为1600℃到1700℃。实际上，这并不是真正意义上的干式系统，因为机械增压泵前级泵为用水密封的液环泵(LRP)。（图表1）

图1

但是，那时的机械真空泵并没被用来处理大量气体，直到上世纪50年代初，德国人Bochumer Vereins根据1943年B.E.L. DeMare的一项专利，开发了用于给数吨级钢的脱气工艺，这个工艺在现在已得到了广泛的应用。接着，蒸汽喷射器系统取代了机械泵，因为前者能处理非常大量的气体负荷，而且在当时，成本和维护费用都很低廉。随着能耗成本越发重要，后来用来代替“跳跃式”蒸汽喷射器（蒸汽喷射器要使用极大量的蒸汽才能初步、快速地去除系统中的空气）的水环泵越来越受欢迎。现在，事情兜了个大圈又回到了原地。如今生产大容量的精密机械增压泵的成本降低了，人们又发明了足够大的干式前级泵（干式爪泵、干式罗茨泵和螺杆机构），在现代化的钢水脱气设备上使用足够抽气能力的全干式真空泵系统的可能性已经成为了现实。

干式机械真空泵

直到上世纪七十年代，原先用来正压气体输送的超大型的罗茨泵才得到改良，用作较高真空度工业应用中的真空增压泵。人们开始使用容量高达30,000 m3/h / 18,000 CFM的泵，如果在每一级使用平行机械增压器机组，那么现在，此抽气能力可以与蒸汽喷射泵系统提供的能力相匹敌。现在，使用平行机组成为了干式运行钢水脱气系统的标准使用方式。

为了满足高速度的要求，系统应使用足够数量的大型高真空度机械增压泵，将它们正确分级串联，以便在使每一级维持理想的压缩比的同时，获得足够的抽气速度。这些增压泵需要和足够能力的前级泵配合使用。

干式机械增压泵

现代大型机械增压器可以以极为节省的方式提供低压条件下的较大抽气能力，这个技术特别适用于VD过程。进行了垂直气流安装的罗茨机构本质上能十分有效地将夹带的大颗粒物直接吹扫出去，同时通过使用适合的设计，能够将细粉尘的累积量降到最低。这些设计包括采用合适的轴封来避免齿轮和驱动装置发生润滑油渗漏（因为抽气容积内的任何润滑油必定会引起粉尘累积），通过平衡齿轮箱和驱动端的压力来避免密封件上的压差过大，以及采用少量的气体吹扫以防止粉尘渗透进入压力平衡管线。通过使用变频器来控制增压泵马达速度和功率输出，可以灵活地在在较高压力下启动，加快泵送时间，确保启动可靠性。必须牢记，机械真空增压器不是真正意义上的压缩机，总是需要具备真正压缩性能的前级真空泵（前级泵）来向大气排气。多级机械增压泵可以与适当的前级泵配合，用于一般的VD/RH系统。对于较高压力的VOD，只需要此系统的最后一级增压泵和前级泵配合使用。

一级真空泵

油封前级真空泵十分高效，滑阀式真空泵已证明足可成为用于感应熔化、精密铸造和热处理的冶金工业标准设备。这些过程确实会产生金属和陶瓷粉尘，这些粉尘会在泵密封油中累积，使泵的耐用性和性能变差，但是许多操作者认为与过程的价值相比，由此产生的需要维护的结果还是可以接受的。但是，如果与热处理和精密铸造相比，钢水真空精炼产品价值相对较低，那么这个技术就不能为人所接受

了，并且该技术可能产生更大量粉尘，大大增加维护费用。在冶金工业和钢水脱气工业，干式真空泵都提供了提高效率和节省成本的机遇。

配合钢水脱气真空系统的理想的前级泵是可以持续扫除工艺粉尘而不会引起严重损坏的干式泵机构，例如：大型干式排气泵或最新一代的干式螺杆泵。

大型干式排气泵

排气泵是一种用作前级泵的大型罗茨式机械增压泵，经过改良可以直接向大气排气。排气泵与传统机械增压泵不同之处在于构造更坚固、内置气体冷却装置、马达更强劲。排气泵是能够有效替代LRP的干式泵，拥有非常大的粗真空能力，与其他前级干式泵的机组相比，拥有相称的低成本。如果单独使用，与仍可以用于VOD的LRP（一般不超过100mbar / 75torr）相比，排气泵的极限真空度差很多。但是，VD 和RH需要使用两级排气泵机组。一种模式是，用排气泵对通过前级泵的大气进行粗抽，此时旁通前级泵；当真空罐里的真空度达到200 mbar左右时，切换为与增压泵组串联运行，在合适的前级泵的配合下。这需要小心控制阀门，以避免前级泵压力过大，从而导致毁灭性的损坏。与LRP相比，干式排气机的最大优点在于，耗水量极少（只需少量用于间接冷却），没有污水处理问题，性能不受水温的影响，极限真空稳定、可靠。用于钢水脱气的干式排气机的缺点是：

-排气泵比LRP较贵；

-排气泵会产生较大的噪音；

-排气泵的能耗高于LRP；

-排气泵的冷却水耗水量比增压机/干式泵组合要高很多。

干式螺杆机构

干式螺杆泵能够产生内部高温，压缩性良好，可以用于时而发生夹带液体或腐蚀物的工艺。最新的第四代干式螺杆泵的内部设计弃用了前几代干式螺杆泵中可能会发生粉尘累积的端板，从而更适合高粉尘负荷的应用。螺杆机构拥有处理大量金属粉尘和粉末的过硬业内记录，现在已经成为用于干式真空脱气的国际标准设备。干式螺杆泵的其他优点还有：能耗与极限真空相比相对较低，其他公辅设备消耗也很少。

机械真空系统的性能参数

由于工艺中的高粉尘负荷，需要采用适合的过滤系统来保护机械真空系统，目前市场上可以买到用于炼钢行业的标准滤袋。用于吹氧相关工艺的过滤器要求更加严格，需要添加前端气体冷却器，使滤袋和机械真空系统免受高压引起的高热负荷的影响。

机械真空系统的布置以及泵的能力选择应能将交接口的数量降到理想水平，确保系统能轻松融入工艺控制，从而使之在任何过程条件下都能稳定运行。

具有相同或相似抽气速度的机械真空系统可根据所选择的泵的体积以及/或者真空分级数，由不同数量的真空泵组成。使用最多的是三级和四级系统，第一级由前级泵组成，高真空级由多个罗茨泵组成。各级数量由两个参数决定：

?第一个参数是前级泵的抽气速度，要确保较短的泵空时间，以及稳定的粗真空运行。

?第二个参数是所选罗茨泵压缩比，要确保在降至0,67 mbar的过程压力下的较高性能。

如果罗茨泵拥有绝佳的压缩率，就会将分级数降至最低——并由此将泵的使用数降至最低，而且还能使真空系统更经济、更环保。与前级泵相比，罗茨泵能耗低、冷却水耗水量少，相关的投资也很少。

对真空泵能力的选择由由当任何一级泵没有事故停机而确保运行最少需要的泵数量，和最大抽气速度决定。。现场经验证实，抽气能力损失30%以内，将会在对极限真空度和工艺时间稍有影响的情况下维持工艺运行，而不影响钢的质量。对于周期短、生产利用率高的炼钢厂，可以根据真空系统的规模增加冗余泵。同时，这还会缓解系统的意外泄露。

因此，对于较小的处理量，可以使用较小的泵，反之较大能力的泵受物理条件的限制。通过增大泵室内体积来增加抽气速度，将会导致质量增大，并将受到多种限制：由于重量大而处理困难，经济上成本更高，由于间隙长而压缩比较低，以及由于间隙较窄、需冷却的质量巨大而增高对热负荷的敏感。同时，由于大质量的惯性较大，导致旋转增速缓慢，降低对过程压力的控制能力，并且需要为抽空过程设置旁路管线。

作为一种选择，可以通过使用变频器提高频率来增加真空泵的抽气速度，从而可以减少转子的质量。最后，没有多余的管线、阀门和仪表的的简单布局可以将接口降至最少，确保稳定的过程控制。

实践中一种三级泵系统已得到证实，在大压缩比或吹氧工艺中，泵级间换热器可将大功率的二级压缩产生的热量带走。

图2：Mechel（俄罗斯的VOD工厂）泵房中的平行安装泵组

抽空性能要求

T一般钢水脱气泵系统的基本性能参数和要求已进行了分类，如表1所列。

准确合理的真空泵系统规格当然很重要——需要特别注意的是，传统的蒸汽喷射器系统的规格可能会留有过多余地，以允许喷嘴污染引起的喷射泵性能下降，以及较大的系统漏气。严重的漏气必须通过适当的维护妥善解决，否则不得不配置额外抽气能力。还要注意的是，快速空罐的抽空时间要求可能会导致安装成本的增加，如果实际的脱气运行只要求受控的压降，这就没有意义了。

表1

运行经验

RH.（真空循环脱气）

系统体积小，一般大吨位 增加第一级（高真空度）的泵数

各级间的压力符合P*V=恒定值

图3

Pumping Speed:泵抽气速度

Pressure:压力

Operation points of SDM: 脱气模块运行点

Operation points Super SDM: 超级脱气模块运行点

Oxygenblow：吹氧

Graph with comparison of typical modules. 一般模块比较图

Number of stages..泵级数

冗余最差情况为，一个前级泵故障导致一组泵故障。

3模块 vs. 2模块

3组泵在0.67mbar下质量流量导致2组泵1.1mbar工艺压力，而且仍然能够确保钢水质量。但是，抽空时间将会根据系统体积进行延长。对于生产周期时间较短的情况，建议另外安装备用系统。

但是在系统设计时，考虑到抽气速度的要求，总是留有一些余地，这将会使情况进一步好转……

图4

用4个模块，情况更加好……

图5

质量流量

入口压力/mbar

3级或4级

受到增压比，设计性能参数（轴直径，间隙，转子几何形状）等限制，控制复杂，减少阀门、跨级管线或分级旁路的数量，避免换热器（冷凝）。

结论

模块式干式泵系统拥有极佳的操作灵活性，最高的效率和最低的成本，使泵的控制直接融入工厂控制系统，提供了真正的按键控制、“一键式真空获得”的工厂。系统拥有高度统一的性能、极佳的可控性，能够获得高质量的冶金效果。淘汰蒸汽锅炉和旧有的蒸汽喷射泵系统，用现代化的模块式干式真空系统取而代之，有以下几个主要优点：

-改善产品一致性

-提高生产效率

-减少能耗

-减少温室气体的排放

-更加符合环保要求

-改善职业安全

参考文献

1. S. BRUCE“钢水脱气真空要求”，《国际冶金设备和技术》（杜塞尔多夫）2002年3月刊

2. W. BURGMANN, “用于钢水脱气工厂的真空泵”，《国际冶金设备和技术》（杜塞尔多夫）2001年

3. Guiseppe Franco, Harald Koblenzer，“用于Kama Stal和Mechel工厂真空脱气和真空脱氧过程、使用干式机械泵的真空罐脱气站”，《EEC论文集》2012版第5页