蒸汽噴射真空泵在不銹鋼精煉過程中的應(yīng)用研究

姚亮博

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

VOD 作為爐外精煉設(shè)備，在不銹鋼冶煉過程中至關(guān)重要，主要起脫碳、脫氮、脫氫等作用。水蒸汽噴射泵作為獲得真空的主要設(shè)備，穩(wěn)定運行則是重中之重。目前，國內(nèi)99%以上VOD 都采用蒸汽噴射泵來獲得真空，主要有抽氣能力大、投資少、獲得真空速度快、對被抽氣體清潔度要求低等優(yōu)點。一般情況下，真空泵系統(tǒng)的設(shè)計依生產(chǎn)工藝要求決定（主要指抽氣能力和速度），但由于受具體冶煉反應(yīng)條件限制、所使用介質(zhì)的局限性，往往難度較大。因此，分析研究真空泵系統(tǒng)原理以及影響真空度的機理，為應(yīng)用維護提高合理的依據(jù)。

圖1 單級泵的工作原理圖

1 蒸汽噴射泵原理

水蒸汽噴射泵是以水蒸汽為介質(zhì)，從拉瓦爾噴嘴中噴射出高速蒸汽射流來攜帶被抽氣體，從而達(dá)到抽出氣體的目的。單級泵的工作原理如圖1 所示，主要由拉瓦爾噴嘴、混合室、擴壓器等組成。具體原理為，工作蒸汽通過拉瓦爾噴嘴加速，將蒸汽的壓力能轉(zhuǎn)化為動能，在噴嘴喉部達(dá)到音速，在噴嘴擴張段氣流繼續(xù)加速，在出口處獲得超音速氣流噴射到混合室。此時，壓力降低，在混合室形成低壓，將被抽氣體吸入。同時工作蒸汽和被抽氣體在混合室進行能量交換，使兩者的速度趨于一致，接著混合氣體在擴壓器中減速增壓，在其喉部產(chǎn)生正激波，使氣流壓力突升速度降低至亞音速，最終克服出口反壓而排到泵外，實現(xiàn)動能向壓力能的轉(zhuǎn)化。

然而，單級泵的壓縮比一般為8～10，真空度不能滿足生產(chǎn)需要，為了獲得更低的工作壓力，需將多個噴射泵串聯(lián)起來工作，中間增加冷凝器，以便將失去工作能力的蒸汽冷凝以降低下一級泵的負(fù)載。以山西太鋼不銹鋼股份有限公司（以下簡稱太鋼）90 t VOD 為例，采用5 級真空泵組成，中間串聯(lián)3 臺冷凝器，設(shè)計最大抽氣能力300 kg/h，如圖2 所示。

圖2 90 t VOD 工作原理圖

2 蒸汽噴射泵的抽氣特性

單級泵抽氣性能參數(shù)及影響因素：水蒸汽噴射泵的抽氣性能由引射系數(shù)和壓縮比來描述。

1）引射系數(shù)為被抽氣體質(zhì)量流率與工作蒸汽質(zhì)量流率之比：

式中：μ 為引射系數(shù)；G為被抽氣體質(zhì)量流率；G0為工作蒸汽質(zhì)量流率。

2）引射系數(shù)反映泵的抽氣能力和效率。

壓縮比為泵的出口壓力與入口壓力之比：

式中：Y為壓縮比；P4為泵的出口壓力；P1為入口壓力。

壓縮比反映泵的排氣能力以及可以獲得的工作真空度。

泵的抽氣性能與工作介質(zhì)以及被抽氣體的壓力、溫度、流量等因素有關(guān)。

3 影響真空泵性能的因素

3.1 工作蒸汽

工作蒸汽的品質(zhì)對噴射泵的實際抽氣性能影響較大。蒸汽噴射泵使用的工作蒸汽為飽和或稍過熱。對于蒸汽壓力主要從壓力、溫度及干度方面去研究。一般而言，蒸汽壓力越高，工作蒸汽和冷卻水的消耗越少，但蒸汽壓力過高，工作蒸汽的用量以及冷卻水的消耗量就不十分明顯，且造成成本費用的升高。因此一般蒸汽工作壓力在（0.9～10.5）MPa 范圍內(nèi)。對于蒸汽溫度，一般控制在190～210 ℃范圍內(nèi)。但由于蒸汽管網(wǎng)供熱（過熱的大于100 ℃），需要對蒸汽進行降溫使用。近年來，通過對降溫系統(tǒng)進行摸索改進，目前采用的文丘里降溫裝置（圖3），將蒸汽溫度可恒定在某一范圍內(nèi)，并實現(xiàn)降溫水和蒸汽的充分混合，減少工作蒸汽的含水量，對于抽氣性能及噴嘴結(jié)垢有明顯效果。

3.2 冷卻水

冷卻水的壓力溫度以及在每一級冷凝器中的分配量都至關(guān)重要。冷卻水的主要作用是用于冷卻每級泵排除的廢氣中所含蒸汽，降低下一級泵的負(fù)載。研究冷卻水的參數(shù)主要從壓力、溫度和流量三個方面著手。

圖3 為蒸汽減溫裝置

3.2.1 壓力

對于水處理的供水壓力，一般要求在水分配器處的表壓為（4.0～4.5）×105Pa（4.0～4.5 bar）。

3.2.2 溫度

冷凝器進口處冷卻水溫度越低，冷卻水消耗越少。但考慮到投資及消耗成本，一般要求30 ℃以下為宜。

3.2.3 流量

冷卻水的流量計算相對復(fù)雜，需要考慮前一級泵的蒸汽耗量、冷卻水溫度，以及該冷凝器內(nèi)壓力等因素（見表1）。

冷卻水消耗計算：

式中：GS為通過冷凝器水蒸氣的凝結(jié)量；t2，t1分別為冷卻水入水、出水溫度。而

式中：GZ4，G′Z4分別為冷凝器入口、出口處可凝蒸汽量。

式中：P′4為冷凝器出口混合物全壓力；MK為不可凝結(jié)氣體分子量；P′Z4為冷凝器出口處蒸汽分壓，與冷凝器出口處混合物溫度t′4相對應(yīng)，并且t′4=t1+（1～3）。

而P′4=P4-ΔP.

式中：ΔP為冷凝器氣阻，前級冷凝器ΔP=670 Pa，末級冷凝器ΔP=1 330 Pa。

表1 冷卻水的流量計算

3.3 真空系統(tǒng)閥門

真空系統(tǒng)所用閥門主要分為三類：蒸汽截止閥、切斷B 列泵所用的逆止閥、工作蒸汽疏水閥。閥門泄漏以及壽命周期，是真空系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。在日常的使用過程中每一種閥門泄漏都會造生產(chǎn)停機，所用對閥門的研究顯得很有必要。所以，在選型時注意考慮所使用的介質(zhì)、溫度等參數(shù)。目前，通過對閥門密封形式、材質(zhì)等的研究，摸索出適用于真空系統(tǒng)的系列閥門，延長了使用周期。

4 結(jié)語

蒸汽噴射真空泵研究和設(shè)計涉及到工程流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、實驗理論等基礎(chǔ)理論。蒸汽噴射真空泵技術(shù)發(fā)展已有百年歷史，且蒸汽噴射真空泵結(jié)構(gòu)也很簡單，國內(nèi)外生產(chǎn)制造廠商眾多，但能設(shè)計、生產(chǎn)出性能優(yōu)越的蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)廠商不多。其主要原因是影響蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)的因素很多、設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)和實測參數(shù)數(shù)據(jù)偏差大，需根據(jù)經(jīng)驗和實測進行參數(shù)修正并指導(dǎo)產(chǎn)品升級。影響真空泵性能因素主要有引射系數(shù)、泵體結(jié)構(gòu)、蒸汽壓力、蒸汽溫度、冷卻水量、真空系統(tǒng)密封等。如何處理好這些參數(shù)是工程設(shè)計和維護人員追求目標(biāo)。