節(jié)能環(huán)保是當(dāng)前冶金行業(yè)面臨的重要課題，對(duì)于鋼水真空精煉，蒸汽泵系統(tǒng)和干式泵系統(tǒng)都能滿足抽真空的要求。蒸汽泵系統(tǒng)具有設(shè)備一次投資較低的優(yōu)勢(shì)，但是投產(chǎn)后的綜合運(yùn)行成本比較高，除了消耗電，還消耗大量的水和蒸汽；而干式泵系統(tǒng)主要消耗少量的電，在節(jié)能方面具有較大優(yōu)勢(shì)。尤其對(duì)于需要用燃料燃燒產(chǎn)生鍋爐蒸汽的用戶，研究干式泵技術(shù)在鋼水二次精煉中的應(yīng)用，其節(jié)能減排的社會(huì)效益顯著。

早在20世紀(jì)20年代，德國(guó)一家有色冶金工廠就將一臺(tái)羅茨機(jī)械泵用在4t真空感應(yīng)爐上。21世紀(jì)初期，隨著機(jī)械制造業(yè)技術(shù)水平的提高，干式泵抽氣能力大幅提高，制造成本大幅降低，其在鋼水真空脫氣領(lǐng)域又獲得重視，得以重新應(yīng)用。使用干式機(jī)械泵的真空脫氣技術(shù)是由羅馬尼亞的Adrem Invest公司在 1998年發(fā)明的（專利號(hào)為RO 118309），應(yīng)用在COST特種合金鋼廠12 t VOD項(xiàng)目中^[2]。2009年重鋼院與AdremInvest公司合作，國(guó)內(nèi)首套煉鋼RH干式真空泵在重鋼成功應(yīng)用，也是世界上第一次在煉鋼RH上成功使用干式真空泵抽氣技術(shù)。由于具有長(zhǎng)期較低的運(yùn)行成本優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)鋼水真空精煉領(lǐng)域開始重點(diǎn)關(guān)注機(jī)械真空泵的應(yīng)用。以某鋼廠特鋼項(xiàng)目為例介紹100tRH干式機(jī)械泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2 100 t RH真空泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件

2.1 工程背景

某鋼廠特鋼項(xiàng)目產(chǎn)品定位為優(yōu)、特鋼品種。其主要工藝配置：2套KR、2座100t轉(zhuǎn)爐、2臺(tái)LF、1臺(tái)100t RH、1臺(tái)4流矩形坯和2臺(tái)5流方坯。其產(chǎn)品規(guī)模與品種：鋼水180.5萬t/a，連鑄坯171.4萬t/a；產(chǎn)品大綱以優(yōu)質(zhì)特鋼為主，有合金結(jié)構(gòu)鋼、冷鐓鋼、船用錨鏈圓鋼、軸承鋼、彈簧鋼、預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼簾線等。

2.2 設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù)

真空泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù)見表1。

RH系統(tǒng)的設(shè)計(jì)冶金效果見表2。

表2  RH 冶金效果工藝指標(biāo)

3 真空泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與配置

3.1 100t RH真空泵系統(tǒng)抽氣能力計(jì)算

脫氣時(shí)間一般在15-18min，處理鋼水100t/爐。

真空脫氣類鋼液最大放氣量見表3。

對(duì)于脫氣鋼種，每噸鋼液放氣量Q₁為每噸鋼液放出氫氣量Q_H與放出氮?dú)饬?/span>Q_N之和，即：

Q₁=Q_H+Q_N=0.006+0.05 =0.056kg/t鋼，按每爐處理15min折算，即22.4 kg/h。

循環(huán)氣體氬流量（氬氣密度取1.784kg/ Nm³）Q₂=95×1.784=169.48 kg/h

頂槍攝像頭用氮?dú)饬浚ǖ獨(dú)饷芏热?/span>1.25kg/ Nm³）Q₃=150×1.25=187.5 kg/h

則：∑Q =Q₁+Q₂+ Q₃=22.4+169.48+187.5=379.38 kg/h

抽氣平均分子量：

將分子量M=29.52換算成M=29的空氣量，查表K_M=0.98：

Q_空氣=379.38×K_M=379.38×0.98=371.8 kg/h

根據(jù)抽氣入口溫度約250℃，換算成20℃空氣，查表K_AT=1.12：

Q_20℃=371.8×K_AT=371.8×1.12=416.4 kg/h

考慮泵抽氣能力7%的漏氣率，則泵系統(tǒng)抽氣能力為：

Q_抽氣=Q_20℃/0.93=416.4/0.93=447.7 kg/h

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，并與國(guó)內(nèi)類似RH實(shí)際應(yīng)用泵能力比較后，確定真空泵的抽氣能力為500 kg/h。

國(guó)內(nèi)類似鋼廠RH抽氣能力數(shù)據(jù)見表4。

通過計(jì)算，確定100t RH真空泵系統(tǒng)的抽氣質(zhì)量流量壓力曲線，見圖1。該曲線包括泄漏率（氧槍和攝像頭保護(hù)氣體+泄漏）、底吹循環(huán)吹氬量和鋼水的放氣量。綜合曲線代表總的泄漏率+吹氬量+工藝氣體脫除負(fù)荷總量。

真空泵系統(tǒng)的抽氣能力與系統(tǒng)放氣量的比較見圖2。由圖2可知，真空系統(tǒng)的抽氣能力總是高于所需的抽氣能力，因此此系統(tǒng)完全可以完成所需RH工藝處理。

3.2 真空泵系統(tǒng)配置

3.2.1 機(jī)械真空泵系統(tǒng)組成

真空泵系統(tǒng)包括：泵組及其之間的連接管道和閥門；煙氣除塵器；連接泵系統(tǒng)和除塵器的閥門及管道；雙路電源系統(tǒng)；電氣柜；變頻器；MCC以及其他所有相關(guān)電器設(shè)備；包括主PLC和HMI服務(wù)器以及相關(guān)通訊設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)；包括檢測(cè)儀表、特殊監(jiān)視器（例如激光粉塵監(jiān)視器）以及溫度儀表等的現(xiàn)場(chǎng)儀表系統(tǒng)等。

3.2.2 機(jī)械泵組選型

用于鋼水真空脫氣的真空泵組一般通過兩項(xiàng)參數(shù)來定義：泵組的級(jí)數(shù)以及泵的種類。兩項(xiàng)參數(shù)都是由系統(tǒng)根據(jù)具體工藝所需的抽氣能力決定的。從一個(gè)大氣壓(101300Pa)下到達(dá)所要求的最低真空度（通常為50Pa），每種泵所能承受的壓差決定了每級(jí)泵的種類和數(shù)量?？紤]到大排量羅茨泵無法承受高壓差，設(shè)計(jì)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^[4]。   

100t RH真空泵組包含了4級(jí)泵：3級(jí)羅茨真空泵和1級(jí)螺桿泵。每級(jí)泵的數(shù)量都是根據(jù)所要求的氣體流量（抽氣能力）決定的。并考慮到泵的價(jià)格、可靠性、維護(hù)和冗余（在泵事故停止或者維護(hù)的情況下能夠不影響正常的真空脫氣處理），進(jìn)行優(yōu)化。    

泵系統(tǒng)配置見圖3。

1）1級(jí)泵組

1級(jí)泵組包括6臺(tái)在100Pa下抽氣能力為 75000m³/h的羅茨泵，因此1級(jí)泵的抽氣能力為450000m³/h。此級(jí)泵只在真空槽內(nèi)的真空度低于3000Pa時(shí)運(yùn)行。1級(jí)泵的持續(xù)運(yùn)行可以保證真空槽內(nèi)50Pa的真空度以及承受300-500Pa的壓差。1級(jí)泵的極限真空度為20Pa。

所有的泵都用變頻器控制。泵將以750rpm運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)需要更高的抽氣能力時(shí)，1級(jí)泵可以以900rpm運(yùn)行，達(dá)到91000m³/h的抽氣能力。這一級(jí)的裝機(jī)容量為270kW，而正常運(yùn)行時(shí)只需消耗150-170kW。

2）2級(jí)泵組

2級(jí)泵組包括6臺(tái)額定抽氣能力為19000m³/h、能在10000Pa運(yùn)行的羅茨真空泵，抽氣能力為114000m³/h，所能到達(dá)的極限真空度為350Pa。所用的泵都用變頻器控制。每臺(tái)泵的裝機(jī)容量為45 kW，總裝機(jī)容量為270kW。泵的進(jìn)氣口和排氣口都與多支管連接，并且在抽至深真空之前用旁道直接連接在真空管線上。

3）3級(jí)泵組

3級(jí)泵組包括4臺(tái)帶有預(yù)抽氣體冷卻、1500 rpm下額定抽氣能力為16000m³/h、運(yùn)行于1000-10000Pa的羅茨泵。3級(jí)泵總的有效抽氣能力為64000m³/h。在吹氧的過程中，3級(jí)泵將發(fā)揮作用，而1級(jí)和2級(jí)泵將通過旁道進(jìn)行短接。每臺(tái)泵的裝機(jī)容量為200 kW ，總裝機(jī)容量為800 kW，實(shí)際運(yùn)行下的消耗為450-600kW。3級(jí)泵的進(jìn)出氣口都設(shè)有一個(gè)旁通。

4）4級(jí)泵組

4級(jí)泵組包括4臺(tái)干式螺桿泵，每臺(tái)都帶有55kW的電機(jī)，其抽氣能力為2500m³/h，可以最大承受100000Pa的壓差。這一級(jí)的裝機(jī)容量為225kW，實(shí)際消耗約為180kW。

整個(gè)泵系統(tǒng)工作程序見表5。

表5 真空泵系統(tǒng)工作狀態(tài) 

3.2.3 煙氣除塵器系統(tǒng)配置

真空泵系統(tǒng)前端配套設(shè)計(jì)有2套高效除塵器，除塵器除塵率大于99.8%，并能耐高溫300℃。其中1臺(tái)除塵過濾器用于RH脫氣和真空碳脫氧處理階段，第2臺(tái)過濾器用于RH強(qiáng)制吹氧脫碳階段。過濾器本身是旋風(fēng)除塵器和帶反吹清掃系統(tǒng)的布袋/陶瓷過濾器的組合體^[5]。該除塵器設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

1）低壓損：高氣體通過率 (最大壓損200Pa)；

2）耐高溫：陶瓷材料最多可耐超過300℃高溫；

3）空負(fù)荷階段和脫氣、真空碳脫氧階段運(yùn)行時(shí)采用普通溫度布袋過濾材質(zhì)，在氣體高溫高密度（吹氧脫碳階段）情況下運(yùn)行時(shí)切換至耐高溫過濾材質(zhì)的除塵器。

4 機(jī)械真空泵系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

4.1 除塵器主要技術(shù)參數(shù)

除塵器主要技術(shù)參數(shù)見表6。

表6 除塵器主要技術(shù)參數(shù)

4.2 機(jī)械泵組參數(shù)

機(jī)械泵組參數(shù)見表7。

表7 機(jī)械泵組主要技術(shù)參數(shù)

4.3 機(jī)械泵與傳統(tǒng)蒸汽泵運(yùn)行節(jié)能比較

機(jī)械泵與傳統(tǒng)蒸汽泵運(yùn)行節(jié)能比較情況見表8。

表8 100tRH機(jī)械泵與蒸汽泵噸鋼運(yùn)行成本比較

由表8可知，對(duì)于100tRH采用機(jī)械泵比采用蒸汽泵噸鋼可節(jié)約成本12.315元。如按年處理100萬t鋼水能力計(jì)算，則年節(jié)約成本可達(dá)1231.5萬元。雖然機(jī)械泵一次性投資比蒸汽泵高，但通過上述對(duì)比可知，回收高出蒸汽泵的投資成本一般不超過2a。

5 結(jié)語

介紹100t RH干式真空泵抽氣能力的計(jì)算、系統(tǒng)設(shè)備配置和設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，并與同規(guī)模采用蒸汽泵方案的100t RH進(jìn)行了運(yùn)行成本對(duì)比，采用機(jī)械泵比采用蒸汽泵噸鋼可節(jié)約成本12.315元，采用機(jī)械泵設(shè)計(jì)方案回收高出蒸汽泵的投資成本一般不超過2a。