在冶金行業(yè)中,RH爐真空處理領(lǐng)域多采用蒸汽噴射泵抽真空技術(shù),運行成本、能源和蒸汽消耗較高;干式真空泵抽真空技術(shù)多用于小噸位VD爐真空處理系統(tǒng)。干式真空泵系統(tǒng)技術(shù)與傳統(tǒng)蒸汽泵真空系統(tǒng)相比,啟動和運行更靈活、可靠,節(jié)能環(huán)保效果十分明顯。應(yīng)用干式真空泵系統(tǒng),可以取消傳統(tǒng)的蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)和相關(guān)的水處理系統(tǒng),但設(shè)備本身一次性投資較大。包鋼曾在新建的240tRH爐上采用了干式真空泵抽真空技術(shù),建成了當(dāng)時世界上處理能力最大的RH干式真空泵系統(tǒng)。RH干式真空泵系統(tǒng)最大的特點是運行成本、能源消耗極低。目前干式真空泵系統(tǒng)能夠滿足RH爐工藝要求,運行穩(wěn)定,取得了突出的節(jié)能效果。干式真空泵系統(tǒng)是指泵從大氣壓下開始抽氣,泵系統(tǒng)能將被抽的氣體通過真空管道排放到大氣中,實現(xiàn)RH真空處理冶金功能。RH爐的主要功能是通過在高真空度下對鋼水進(jìn)行脫氧、脫氫、脫碳處理,真空泵系統(tǒng)根據(jù)RH工藝處理各階段的真空度要求進(jìn)行設(shè)計,不同的真空度通過真空泵系統(tǒng)的自動控制實現(xiàn)。近年來通過不斷摸索和研究,在RH爐干式真空系統(tǒng)取得了一定的經(jīng)驗。

1、RH爐主要設(shè)備參數(shù)

RH爐本體系統(tǒng)是由中冶京城和西門子奧鋼聯(lián)聯(lián)合設(shè)計完成,干式真空泵系統(tǒng)是由ADREM公司設(shè)計安裝完成。干式真空泵系統(tǒng)能夠滿足工藝的要求。RH爐主要工藝參數(shù)如表1所示。

2、干式真空泵系統(tǒng)

2.1真空泵參數(shù)

RH干式真空泵系統(tǒng)由4級并聯(lián)的螺桿泵和羅茨泵組成,包括10臺超高流量的羅茨泵,10臺高流量的羅茨泵,7臺高流量高壓差的羅茨泵,7臺干式真空螺桿泵,并帶有自動氮氣吹掃功能和自動排除粉塵功能的過濾器。根據(jù)工藝要求和系統(tǒng)氣體流量來確定干式真空泵系統(tǒng)的抽氣能力。干式真空泵系統(tǒng)能在20~105Pa的壓力范圍運行工作,排氣口與大氣相連,能連續(xù)的向大氣中排氣。根據(jù)要達(dá)到的冶金效果,計算得出每級泵的抽氣量以及能夠承受的壓差,然后對泵進(jìn)行選型組合。每級泵的抽氣能力和裝機(jī)容量不同,具體如表2。通過對不同級別的泵進(jìn)行組合,達(dá)到設(shè)計要求的抽氣能力。

2.2抽氣能力

干式真空泵系統(tǒng)是RH精煉裝置的主要組成部分,其抽氣能力、抽氣速率等工藝參數(shù)直接影響RH爐的冶金效果,設(shè)計抽氣能力在真空度67Pa時達(dá)到1100kg/h,真空度3min能夠達(dá)到67Pa以下,完全滿足工藝要求。實際生產(chǎn)過程中真空處理不同時間的真空度如圖1所示,真空度3min達(dá)到了67Pa,滿足工藝要求。

2.3過濾器系統(tǒng)

RH干式真空泵過濾器系統(tǒng)可以減少鋼水處理時的煙塵,減少了煙塵對環(huán)境的污染。在生產(chǎn)過程中廢氣含塵濃度在真空環(huán)境下難以檢查發(fā)現(xiàn),由粉塵顆粒引發(fā)的干式泵機(jī)械卡阻,結(jié)合干式泵的運行機(jī)理,設(shè)計中加裝在線檢測系統(tǒng),優(yōu)化干式真空泵系統(tǒng)停泵吹掃程序,解決了粉塵顆粒在密閉的環(huán)境下的檢測和真空泵卡阻問題。RH干式真空泵系統(tǒng)采用袋式過濾器,干式真空泵加工制造非常精確、而且內(nèi)部公差非常小。進(jìn)入到真空泵內(nèi)的廢氣必須經(jīng)過冷卻,完全清除掉灰塵。否則灰塵進(jìn)入泵系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p害泵體。因此過濾除塵系統(tǒng)對于干式真空泵系統(tǒng)是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該廠在RH爐本體管道上安裝了氣體冷卻器降低從真空槽抽出的廢氣溫度。同時氣冷器也是一個慣性除塵器,它把排氣流中的粉塵顆粒沉降在下面的卸灰溜管內(nèi),然后廢氣進(jìn)入真空條件下工作的袋式過濾器,降低了廢氣溫度,去除了部分粉塵顆粒。袋式過濾器在真空條件下工作需要一定的防范措施。過濾器的設(shè)計需要能夠滿足壓力由真空壓到大氣壓的快速改變,完全密封,以防止空氣泄漏進(jìn)入真空系統(tǒng)。鋼水在真空精煉過程中,鋼水中的氣體在低真空度下從鋼水熔池中逃逸,同時逃逸的還有少量的氣化金屬,主要為在煉鋼溫度下具有高蒸汽壓的金屬鋅、鎂和錳。在進(jìn)入真空泵的途中,這些金屬在真空系統(tǒng)內(nèi)的冷卻部件上升華,形成一層附著層,在真空脫氣處理后打開真空脫氣裝置,它們暴露在空氣下就立即著火燃燒。隨后,在每一脫氣周期過程中,過濾器袋就覆蓋一層自燃氧化物層。在脫氣作業(yè)完成后,過濾器袋必須清除氧化物層,氮氣吹掃系統(tǒng)在真空狀態(tài)下會對布袋進(jìn)行吹掃,以避免在下一脫氣周期開始時,空氣進(jìn)入而發(fā)生著火。過濾器在每次真空處理結(jié)束自動清洗。當(dāng)真空泵維持在低壓或者真空主閥關(guān)閉下,向脈沖式射流清洗閥供應(yīng)氮氣,開啟脈沖式射流作業(yè)程序,從而避免從一組過濾袋沖洗下來的灰塵又附著在鄰近一組袋內(nèi)。過濾袋不按順序清洗,而是從第一組開始,按交替方式清洗,這樣可使灰塵沉淀下來,而不會被相鄰組內(nèi)的氣流吹得到處都是。通常,實施3次清洗周期。在清洗完成后,切斷氮氣供應(yīng),干式真空泵系統(tǒng)可繼續(xù)進(jìn)行真空處理作業(yè)。在過濾器的錘形底部安裝震動器,可根本上避免過濾袋清洗后灰塵沉積。如果發(fā)生灰塵沉積,則在隨后的抽真空中,自燃性灰塵在可能清潔的過濾袋間旋流,容易引起過濾器著火燃燒。在開始一個新的脫氣周期時,必須調(diào)整抽真空管路旁路閥開啟,以使真空槽和預(yù)抽真空過濾器之間有足夠長的壓力平衡時間,使過濾器支持籠不會變形,過濾袋不會被突然涌入的氣流損壞。

3、干式真空泵系統(tǒng)工藝性能

干式真空泵系統(tǒng)主要用于鋼水真空脫氣、脫碳、脫氧、調(diào)節(jié)鋼水成分溫度。泵組的級數(shù)以及泵的種類和每一級泵的大小和數(shù)量都是根據(jù)具體工藝和系統(tǒng)氣體流量所需的抽氣能力決定的。

3.1鋼水循環(huán)速率RH爐環(huán)流氣體的設(shè)計最大240m3/h,但由于處理量及真空槽設(shè)計不同,在滿足各自工藝處理要求的條件下,不同真度下實際鋼水的循環(huán)速率不同,206tRH真空槽浸漬管直徑0.72m,真空處理過程中環(huán)流氣體控制在150m3/h,循環(huán)量計算如表3。

3.2脫氫效果

在一定溫度下,鋼液中[H]含量隨著爐內(nèi)壓力的降低而降低;在一定的壓力下,[H]含量隨溫度的升高而增大,但在二次精煉中,壓力對[H]含量影響遠(yuǎn)超過溫度[3]。當(dāng)氣相壓力達(dá)300Pa時鋼中w[H]≤1.5×10-6,即低于氫在α-Fe中的溶解極限,從而可完全消除“白點”缺陷。故實際生產(chǎn)中,脫氫的真空度控制一般為200Pa以下。干式真空泵系統(tǒng)脫氫速率較快,對干式真空泵系統(tǒng)進(jìn)行不同時間氫含量的試驗,圖2是對真空處理不同時間的氫含量的影響,10min氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2×10-6左右,15min氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5×10-6以下,20min氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1×10-6以下。

3.3脫碳效果

由于真空處理時高溫和攪拌強(qiáng)烈,所有利于提高脫碳速率的各項因素都可以加快脫碳反應(yīng)。在真空室內(nèi)壓力迅速降低的過程中,隨著提升氣體流量增加,循環(huán)流量、容積系數(shù)增加,提高了脫碳速率,加快了脫碳反應(yīng)的進(jìn)行。對干式真空泵系統(tǒng)進(jìn)行了7爐不同時間碳含量的試驗,圖3是260tRH爐的脫碳情況研究,初始w(C)=(250~400)×10-6,脫碳5minw(C)=(50~100)×10-6;脫碳10minw(C)=(10~50)×10-6;脫碳15min碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在10×10-6以下。

3.4能源消耗

機(jī)械泵系統(tǒng)同RH爐本體一樣,運行時需要消耗氮氣和冷卻水。干式真空泵系統(tǒng)不需要蒸汽和冷卻水,能耗為蒸汽泵系統(tǒng)的10%,運行成本和總消耗減少,節(jié)能效果十分顯著,成本回收和獲利速度快。按照240tRH精煉年處理能力230萬t鋼水計算,干式真空泵系統(tǒng)與蒸汽噴射泵系統(tǒng)相比,雖然一次性投資成本較大,但系統(tǒng)運行穩(wěn)定,生產(chǎn)成本極低(如表4),噸鋼可節(jié)約成本6.4元,每年節(jié)約成本1472萬元。

干式真空泵系統(tǒng)采用袋式過濾器,每次真空處理結(jié)束用氮氣自動清洗過濾器系統(tǒng),保證了干式真空泵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。干式真空泵系統(tǒng)能夠滿足RH爐冶金工藝性能,使用干式真空泵系統(tǒng)脫氫和脫碳速率較高,20min氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1×10-6以下,脫碳15min碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在10×10-6以下,取得了良好的工藝效果。應(yīng)用干式真空泵系統(tǒng),可降低RH爐噸鋼生產(chǎn)成本約5.7元,極大的降低RH真空精煉的工藝成本。

1)260tRH干式真空泵系設(shè)計抽氣能力在真空度67Pa時達(dá)到1100kg/h,真空度3min達(dá)到能夠達(dá)到67Pa以下,完全滿足工藝要求。干式真空泵系統(tǒng)應(yīng)用于RH爐,運行穩(wěn)定,能夠滿足RH爐工藝性能要求,鋼水處理后鋼中的[C]、[H]等氣體元素滿足了工藝要求。

2)采用干式真空泵系統(tǒng),鋼水中的[C]質(zhì)量分?jǐn)?shù)真空處理15min后達(dá)到了10×10-6以下,鋼水中的[H]質(zhì)量分?jǐn)?shù)真空處理20min后達(dá)到了1×10-6以下。干式真空泵系統(tǒng)運行穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保,極大的降低RH工藝成產(chǎn)成本,為的品種鋼生產(chǎn)提供了保障。