鞍鋼煉鋼廠RH 精煉裝置真空系統(tǒng)技術改造

馬正鋒，孟繁亞，任開有，劉 鐵，方杞清

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021)

0 前言

鞍鋼的兩套RH 分別建設于1998 年和2005年。經(jīng)過10 多年的使用，設備開始老化，漏氣量增大，真空泵抽氣能力減小，RH 處理時間加長，造成鋼水澆鑄速度慢，生產線產量降低。為滿足高品質、高附加值鋼種的生產需要，為了提高生產線的生產能力，降低能源消耗，需將原有的兩套RH 真空精煉裝置進行升級、節(jié)能改造，改造完成后對于提高產量和鞍鋼在高端鋼種的市場占有率有很大幫助。

1 RH 的生產狀態(tài)

1.1 RH 生產工藝流程

鞍鋼配有兩臺RH 真空精煉裝置，兩臺連鑄機，一臺RH 供給一臺連鑄機，主要用于生產超低碳鋼。RH 的工藝流程如圖1 所示。

1.2 原真空泵參數(shù)

兩套RH 都采用四級蒸汽噴射真空泵，1#RH 建設于1998 年，由西安重型機械研究所、Demag MESSO 和鞍鋼設計院共同設計建設，真空泵的抽氣量為600 kg/h。2#RH 建設于2005年，由SMS MEVAC 和鞍鋼設計院共同設計建設，真空泵的抽氣量為700 kg/h，具體參數(shù)如表1 所示。

圖1 RH 工藝流程Fig.1 Technological process

表1 原真空泵參數(shù)Tab.1 Old vacuum pump parameters

2 設備存在的問題

(1)泵體出現(xiàn)了磨損、磨穿，系統(tǒng)漏氣量增加。已修補過多次，補焊的新板和磨損的泵體影響氣流流態(tài)。圖2為多次磨損補焊后的狀態(tài)。泵內積灰嚴重，抽氣性能大大降低，使得抽真空時間變長，從而延長了整個鋼水在真空下的處理時間，根據(jù)實際生產統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從開始抽氣到200 Pa(絕對)，耗時約11 min，影響與連鑄的生產節(jié)奏匹配。

(2)1#RH 的冷凝器效采用了噴頭式冷卻方式，效率低，水耗量大，最大水耗量達到1500 m3/h。噴頭安裝復雜，空間角度要求高，維護工作量大。

圖2 泵體磨損補焊Fig.2 Weld the wear pump

(3)1#RH 的抽氣能力為600 kg/h，2#RH 的抽氣量為700 kg/h。由于抽氣能力小，單爐處理時間長，增加了能耗，而且和連鑄的生產節(jié)奏不能完好匹配，影響生產組織。

(4)密封通道設計不合理，氣囊使用壽命短，容易磨損，每2 天更換一次。氣囊與頂槍的間隙小，頂槍升降時與氣囊不斷摩擦，多次摩擦后會磨穿氣囊橡膠，導致氣囊不能充氣膨脹，與頂槍的間隙會漏進大量空氣，根據(jù)計算，這種泄漏量達到了2800 kg/h，根本無法生產。

(5)底吹氬采用手動接通方式，效率低，流量控制采用體積控制方式，精度差。只有正常吹氬和管路堵塞后的旁路強吹，沒有多種流量控制功能。只能在HMI 主控畫面進行流量控制。

(6)1#RH、2# RH 真空泵系統(tǒng)由于建設時間不同，設備性能和系統(tǒng)結構存在差異，故障檢查和設備維護工作復雜。兩套系統(tǒng)的濁環(huán)水總管閥門與管線、冷凝器各支路控制閥門與管線、各個蒸汽泵的閥門與管線都不同，互換性差，備件較多，不易管理。

3 技術改進

從圖1 中可以看出，從鋼水進站到出站，其它步驟的時間不可壓縮，但真空抽氣時間可以再縮短，所以本項目重新設計了真空泵和冷凝器，增大了抽氣量以減少抽氣時間;更換了整套真空系統(tǒng);重新設計了密封通道;增加自動底吹氬系統(tǒng);還在末級增加了水環(huán)泵。兩套RH 采用完全相同的設備，便于備件管理，簡化后期維護工作。

3.1 新設備的工藝布置

真空泵的布置主要有幾種方式:水平、垂直、斜式。這三種布置各有優(yōu)缺點，水平布置可以降低設備標高，但占地面積太大，不利于泵體排水。垂直布置占地面積小，但設備標高太高，對廠房高度要求較高。斜式布置占地面積適中，標高也適中，但安裝難度較大。本次改造中采用了斜式布置，如圖3 和圖4 所示，其優(yōu)點是可以充分利用原有支撐鋼平臺，大幅度減少現(xiàn)場輔助安裝工作，縮短施工時間。

圖3 立面圖Fig.3 Front View

圖4 平面圖Fig.4 Top View

3.2 新蒸汽泵性能參數(shù)

為了減少系統(tǒng)改造投資，充分利用現(xiàn)有蒸汽供給系統(tǒng)和濁環(huán)水供給系統(tǒng)，新真空泵系統(tǒng)設計采用與原系統(tǒng)相同的介質壓力和溫度，蒸汽耗量小于28 t(使用水環(huán)泵時小于22 t)。中重院對原有管道的流量能力和閥門的控制能力進行校核計算，計算結論為:原有蒸汽管道能滿足新真空泵對蒸汽流量的要求，而且減壓閥也能有效控制蒸汽壓力，可以利舊。新蒸汽泵具體參數(shù)如表2 所示。

表2 新真空泵參數(shù)Tab.2 New vacuum pump parameters

3.3 濁環(huán)水系統(tǒng)

由于兩套RH 建設時間不同，冷凝器設計方法不同，冷卻原理不同，導致兩套RH 真空系統(tǒng)的冷凝器結構完全不同，如表3 所示。新設計的冷凝器采用塔式噴淋結構，供水系統(tǒng)利舊，根據(jù)現(xiàn)狀，兩套冷凝器采用不同的施工方案。

表3 冷凝器對比Tab.3 Condenser contrast

1#RH 采用了多噴嘴冷卻方式:1 個主噴嘴和3 個側噴嘴。這種方法的缺點是冷卻效率低，水耗量大，而且噴頭安裝時的空間角度要求高，各個噴頭組合后必須能覆蓋冷凝器截面，也不方便更換噴頭。所以將3 個冷凝器整體更換，新設計的冷凝器可以提高換熱效率，節(jié)省水資源。另外，由于每個冷凝器的用水量與原有系統(tǒng)不同，所以重新設計了水分配器，使冷凝器上、下兩級管路供水與新系統(tǒng)水量匹配。

2#RH 原有的3 個冷凝器上、下兩級噴頭的冷卻水水量與新系統(tǒng)不匹配，它的直徑與新冷凝器相同，所以外殼部分可以利舊。為了現(xiàn)場施工方便，新冷凝器只制作了上半部分(包含兩個噴淋頭)。原冷凝器從中間斷開，只保留下半部分，現(xiàn)場將原冷凝器的下半部分與新制作的上半部分對接即可。采用與1#RH 相同的水分配器。

3.4 水環(huán)泵系統(tǒng)

圖5 2#RH 冷凝器施工方案Fig.5 2#RH condenser＇s construction scheme

水環(huán)泵是將葉輪偏心地安裝在接近圓形的泵體內的，當葉輪旋轉時，因離心力作用，注入泵體內的液體形成旋轉的液環(huán)。液環(huán)內表面與葉輪輪轂之間形成一個月牙形空間，在旋轉一周范圍內，該空間逐漸增大→減小，氣體被吸入→排出。所以水環(huán)泵不用蒸汽，其工作介質為水，每臺泵的耗水量為14～20 m3/h，而且工作水可以循環(huán)使用，對環(huán)境無污染。

水環(huán)泵使用電動機驅動，具有運行安全、穩(wěn)定、結構緊湊、工作可靠、使用方便、效率較高的特點，工作介質是水，葉片與泵體有一定間隙，可以抽含有灰塵的氣體、氣水混合物以及腐蝕性氣體。在本項目中，工作水使用蒸汽真空泵的濁環(huán)水，水環(huán)泵排出的水直接排入系統(tǒng)熱井罐，然后泵回水處理進行沉淀、冷卻。這種方案的優(yōu)點是不用為水環(huán)泵增加獨立的水處理系統(tǒng)，降低投資，減少故障點。

為了節(jié)約能源，降低蒸汽消耗，給末級蒸汽泵并聯(lián)了三臺水環(huán)泵，設計為兩用一備。抽氣管道從C2 冷凝器上引出。使用蒸汽泵時，關閉閥門FH18，將水環(huán)泵系統(tǒng)隔離開，根據(jù)S4a 和S4b 泵的開關狀態(tài)，對閥門FH15 和閥門FH17進行相應的開關操作;使用水環(huán)泵時，關閉閥門FH15 和閥門FH17，打開閥門FH18，啟動水環(huán)泵即可工作，水環(huán)泵抽走的廢氣排放到廠房外安全區(qū)域。當使用水環(huán)泵時，可以將C3 冷凝器的冷卻水關閉，節(jié)省水資源。原理圖詳見圖6。

3.5 自動底吹氬系統(tǒng)

圖6 真空系統(tǒng)原理圖Fig.6 Vacuum system

底吹氬主要促進夾雜物上浮，調整鋼水溫度，均勻鋼水成份，提高鋼水脫氧效果。為了準確、穩(wěn)定控制吹氬流量，該項目中使用了質量流量控制技術，觸摸屏操作，具有計量準確，功能豐富，操作方便的特點。通過工業(yè)以太網(wǎng)與主控PLC 通訊，在本地操作面板上有遠程/本地操作切換開關，在HMI 主控畫面和就地操作箱上都可進行吹氬控制。質量流量控制的優(yōu)點是不管壓力波動或流動阻力如何變化，控制器都能精確控制流量，而且質量控制可忽略壓力和溫度的變化，根據(jù)實際生產統(tǒng)計，吹氬精度在1%。

為了便于操作，專門設置了軟吹、正常和強吹功能。每一種吹氬方式設置流量上限值，以防誤操作輸入過大的吹氬量造成飛濺。系統(tǒng)還配備了手動吹氬功能，斷電時，手動打開旁路閥門就可以實現(xiàn)不間斷吹氬。

3.6 采用了真空技術的密封通道

頂槍槍體為水冷多層套管式結構，從內到外的介質分別為氧氣、煤氣、冷卻水。頂槍安裝在真空槽上方，槍體通過熱彎管上的槍孔插入真空槽，由于槍體與熱彎管有相對運動，在熱彎管的槍孔上裝有波紋管式密封通道，如圖7 所示。其作用是:保證處理時真空槽內的真空度，補償頂槍軌道安裝的誤差。一般采用的密封技術原理是:氣囊充氣膨脹，抱緊頂槍槍體，排氣后恢復自然狀態(tài)，這種方案的缺點是氣囊長時間使用后，橡膠的彈性弱化，收縮不到原始狀態(tài)，氣囊與頂槍之間很容易造成摩擦而磨損氣囊。該項目中采用了真空收縮技術，密封氣囊2 充氣膨脹，與頂槍1 的表面緊密接觸，隔離真空槽內空間和外空間，實現(xiàn)密封功能。當頂槍上下運行時，氣囊氣路的真空回路接通，使氣囊內部形成負壓，氣囊收縮，增大了頂槍與氣囊之間的間隙，可提高氣囊壽命三倍以上。

4 改造后的效果

圖7 密封通道Fig.7 HMI of Argon blowing

(1)增加抽氣量，明顯縮短了真空處理時間，提高了連鑄的澆鑄速度。根據(jù)實際生產的統(tǒng)計，每爐的平均抽氣時間為6 min。

(2)水環(huán)泵運行平穩(wěn)，啟停方便。生產以水環(huán)泵為主，只在水環(huán)泵檢修保養(yǎng)時才使用蒸汽泵。實際蒸汽耗量為全蒸汽泵時28 t，使用水環(huán)泵時為22 t，分別比設計值節(jié)約蒸汽2 t 和1 t。

(3)真空泵斜式布置，利舊原有平臺，施工進度非常快，從拆除到回裝完成，只用了7 天時間。

(4)密封通道的氣囊壽命顯著延長，現(xiàn)在已經(jīng)提高到7 天。

(5)改造后實現(xiàn)了兩臺轉爐蒸汽直供兩臺RH，不使用發(fā)電的高品質蒸汽，大大降低了RH的運行和生產成本。

5 結束語

經(jīng)過改造，系統(tǒng)存在的問題得以解決。實踐證明，水環(huán)泵+蒸汽噴射真空泵完全可以滿足生產工藝要求，這種方案對于降低RH 生產成本的重要方法。根據(jù)實際測算，每爐處理可節(jié)約蒸汽3.8 t。這對存量RH 的節(jié)能改造有重要的借鑒意義。

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