煉鋼用低碳綠色機械真空泵系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

吳建龍，趙 騰，馬正鋒，張 明,劉 蒙

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018)

0 前言

近年來，隨著國家對鋼鐵工業(yè)向低碳綠色發(fā)展和實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型升級的要求不斷提高，同時真空技術(shù)日新月異，鋼鐵企業(yè)對高效節(jié)能的新型機械真空泵系統(tǒng)取代原有蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)的需求日趨旺盛[1]。

中國重型機械研究院股份公司自主研發(fā)的機械真空泵系統(tǒng)屬國內(nèi)首次，獨立成套于鋼水精煉設(shè)備，其綜合性能達(dá)到國際先進水平。研發(fā)過程中，中國重型機械研究院股份公司克服了外方系統(tǒng)技術(shù)缺陷與不足，采用了若干創(chuàng)新技術(shù)，并進行了實驗研究和生產(chǎn)實踐，促進了工藝裝備更新?lián)Q代，實現(xiàn)了噸鋼消耗標(biāo)煤從3～10 kg降低到0.1～0.4 kg，獲得了噸鋼顯著的節(jié)能減碳效果，噸鋼可節(jié)省5～15元，取得了優(yōu)異的社會經(jīng)濟效益。

1 兩種真空泵系統(tǒng)的技術(shù)性能對比

真空泵系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到精煉后鋼水中的殘余氣體中H、O以及N的含量，也影響到真空C脫氧的效果[2]，其合理性和優(yōu)異性是實現(xiàn)系統(tǒng)運行可靠、高效節(jié)能根本因素。新提出的機械真空泵系統(tǒng)和原有的蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)的綜合性能比較如表1所示[3-8]。

表1 真空泵系統(tǒng)技術(shù)性能對比

通過對比，在滿足相同鋼水精煉工藝指標(biāo)的前提下，蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)的噸鋼綜合能耗是機械真空泵系統(tǒng)的10～25倍，甚至更多，已不能適應(yīng)國家對鋼鐵行業(yè)低碳節(jié)能發(fā)展的需求。因此，研發(fā)綠色高效的機械真空泵系統(tǒng)已成為大勢所趨和當(dāng)務(wù)之急。

2 現(xiàn)狀調(diào)研與分析

中國重型院研究團隊深入調(diào)研了現(xiàn)有機械真空泵系統(tǒng)，梳理技術(shù)現(xiàn)狀與難點，分析技術(shù)缺陷和技術(shù)改進的方案。

(1)成套系統(tǒng)由國外公司開發(fā)與應(yīng)用，技術(shù)壁壘嚴(yán)密。但系統(tǒng)技術(shù)不完善，存在多種缺陷，甚至不能滿足業(yè)主連續(xù)生產(chǎn)的基本需求。

(2)系統(tǒng)在惡劣的高溫多塵的鋼液廢氣條件下無法長時間穩(wěn)定運行，存在泵選型和機組配置不合理、氣體冷卻和除塵效率低、運行控制方案不當(dāng)?shù)热毕荨?/p>

(3)現(xiàn)有系統(tǒng)性能不能充分滿足鋼水精煉的需求，存在抽氣能力小、時間長、氣體壓縮比分配不合理、不能高真空吹氧、鋼水脫碳與升溫效果差、依據(jù)精煉工藝變化的響應(yīng)調(diào)控能力不足等缺陷。

(4)基于各種綜合因素，系統(tǒng)在鋼水精煉處理過程中并沒有發(fā)揮出預(yù)期的節(jié)能效果，存在提升空間。

3 研發(fā)目標(biāo)

針對現(xiàn)有系統(tǒng)技術(shù)存在的缺陷與問題，中國重型院制定了研發(fā)目標(biāo)。

(1)立足國內(nèi)技術(shù)能力，掌握核心技術(shù)，獨立成套具有國際先進水平的穩(wěn)定高效的機械真空系統(tǒng)及其裝備，充分滿足鋼水精煉的連續(xù)生產(chǎn)需求。

(2)為確保系統(tǒng)能夠在惡劣的高溫多塵的鋼水廢氣條件下長時間穩(wěn)定運行，開發(fā)新型真空泵的選配模型與布置方案，研發(fā)高真空氣體冷卻和除塵的設(shè)計方法，最終實現(xiàn)日處理爐數(shù)大于30爐的需求。

(3)為適應(yīng)鋼水精煉工藝需求和變化，研發(fā)基于變頻調(diào)控技術(shù)的計算機綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，滿足高品質(zhì)特種鋼水的穩(wěn)定安全自動化生產(chǎn)的目標(biāo)。

(4)依據(jù)調(diào)研結(jié)果和技術(shù)分析，新型真空泵系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用，能提高系統(tǒng)節(jié)能效果。以210 t RH精煉爐為例，國外公司配套的系統(tǒng)噸鋼綜合電耗3.5 kW。中國重型院研發(fā)目標(biāo)是精煉爐穩(wěn)定運行，其綜合電耗小于3.5 kW。

4 主要研究內(nèi)容

在近60年的鋼水精煉用真空系統(tǒng)研究與實踐基礎(chǔ)上，中國重型院依靠自身技術(shù)力量，創(chuàng)新性地研發(fā)了干式機械真空泵系統(tǒng)配泵模型、四級機械泵實驗平臺、泵組集散式布置方案、高效低阻力高真空氣體冷卻和過濾裝備與設(shè)計方法、計算機綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)與操作方法等系統(tǒng)成套的新技術(shù)。

4.1 干式機械配泵模型

只有建立實用的機械泵選型模型，才能準(zhǔn)確合理地選擇機械泵，使得系統(tǒng)能適應(yīng)復(fù)雜的真空精煉工藝需求，并均被長期穩(wěn)定運行的根本條件[9]。選型模型流程圖如圖1所示。圖中δT為泵進出口溫升；δT允為泵進出口允許溫升；t為抽氣時間；t允為許抽氣時間。

圖1 選型模型流程圖

4.2 試驗平臺

為實際測試真空系統(tǒng)抽氣能力、穩(wěn)定運行條件、自動化控制程序和模擬不同工藝下的各種控制模式，中國重型院創(chuàng)建了國內(nèi)首套用于鋼液真空精煉的四級全干式機械泵試驗臺，如圖2所示。該試驗臺由第一級4.6萬m3/h抽速羅茨泵2臺+第二級0.95萬m3/h抽速羅茨泵2臺+第三級0.55萬m3/h羅茨泵1臺+第四級0.25萬 m3/h螺桿泵1臺組成。

圖2 四級干式機械泵試驗臺

系統(tǒng)抽氣量能力采用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量噴嘴法測試。通過噴嘴放入不同流量的測試氣體來測試系統(tǒng)性能。

為充分滿足鋼水精煉工藝對機械真空泵建立真空度、穩(wěn)定真空度、抽氣時間的要求，同時為模擬不同鋼水精煉工藝下的各種控制模式，試驗臺配置了PLC變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)和自動控制程序，能夠?qū)Ω骷壐髋_泵進行不同頻率設(shè)定和控制程序調(diào)節(jié)。

測試的系統(tǒng)主要性能曲線,如圖3所示。

圖3 主要性能曲線

4.3 泵組集散式布置方案

中國重型院研發(fā)的機械真空泵系統(tǒng)采用級內(nèi)并聯(lián)、級間串聯(lián)、無需旁通的布置形式，如圖4所示。國內(nèi)外同類真空系統(tǒng)一般采用多組并聯(lián)的模塊化真空泵組或采用級內(nèi)并聯(lián)級間串聯(lián)并布置旁通的形式。該布置方案具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積下、被抽容積小、所需閥門少的特點[10]。

圖4 四級機械系統(tǒng)流程簡圖

4.4 高效低阻力高真空氣體冷卻和過濾裝備與設(shè)計方法

機械泵的入口鋼液廢氣溫度和粉塵直接影響其工作效率和安全性，有效降低廢氣溫度和粉塵含量尤為重要。該系統(tǒng)的廢氣凈化方案如圖5所示。

圖5 廢氣冷卻除塵方案

根據(jù)高真空下氣流速度、粉塵最小分離粒徑、粘度系數(shù)等參數(shù)，開發(fā)了高真空氣體冷卻和除塵系統(tǒng)。

4.4.1 新型氣體冷卻器

常用氣體冷卻器出口廢氣溫度經(jīng)常高于120 ℃，降溫效果有限，無法滿足機械泵安全運行需求。該公司研發(fā)的新型氣體冷卻器屬于插入式列管型換熱器，克服了常用氣體冷卻器僅外壁布置冷卻盤管導(dǎo)致?lián)Q熱面積小且效率底的問題。如圖6所示，在進氣腔和排氣腔內(nèi)，200～350 ℃的鋼水廢氣呈現(xiàn)紊流狀態(tài)，能夠充分與≤35 ℃冷卻水盤管2、3和水冷隔板4接觸，能被快速降低到60 ℃以下[11]。

圖6 新型列管氣冷器

4.4.2 真空管道設(shè)計的溫降修正法

系統(tǒng)通過不同長度和管徑的抽氣管道，將真空槽、氣體冷卻除塵器、真空切斷閥、四級泵等多級機械真空系統(tǒng)設(shè)備相連，如圖5所示。現(xiàn)有真空系統(tǒng)管道設(shè)計存在盲目加大系統(tǒng)冷卻能力，造成氣體流阻增大、系統(tǒng)抽氣能力下降、泵體壓縮比升高、冷卻水耗量增加等問題。針對技術(shù)缺陷，中國重型院研發(fā)了一種煉鋼用機械真空系統(tǒng)管道設(shè)計的溫降修正法[12-13]，引入絕熱膨脹公式，即

(1)

式中，γ為真空氣體絕熱系數(shù)；Ti為修正后第j段管道廢氣溫度，℃，即煉鋼過程中滿足每區(qū)段設(shè)備穩(wěn)定運行的氣體絕熱冷卻后的目標(biāo)溫度；Tj為修正前第j段管道廢氣溫度，℃，即煉鋼過程中每區(qū)段管道內(nèi)廢氣的溫度；Vi為修正后第j段管道最小容積，m3，即煉鋼過程中實現(xiàn)每區(qū)段管道內(nèi)廢氣降溫的最小容積；VJ為修正前第j段管道理論容積，m3，即由管徑Dj計算得到。

(2)

式中，Dj為第j段管道理論直徑，m；Gj為第j段管道出口的機械泵抽氣量，kg/h；Pj為第j段管道內(nèi)真空度，Pa；vj為第j段管道內(nèi)氣體流速，m/s；k為折算系數(shù)。

3.4.3 高真空布袋過濾器濾料氣體阻力的估算方法

在RH真空精煉過程中，從鋼水中產(chǎn)生的大量粉塵，會隨著廢氣流入真空系統(tǒng)。為保護機械真空泵，需在真空泵前設(shè)置過濾器凈化廢氣。在實際應(yīng)用中，由于選取參數(shù)不良，導(dǎo)致布袋氣體阻力>20 Pa，不能滿足鋼水表面的真空度應(yīng)≤133 Pa的要求[14-15]。因此，中國重型院研發(fā)了一種高真空布袋過濾器濾料氣體阻力的估算方法[16-17]。

(1)估算高真空布袋過濾器濾料氣體阻力Δp1。

Δp1=ξ·μ·v

(3)

式中，v為布袋過濾風(fēng)速；μ為實際廢氣動力粘度系數(shù)；ξ為布袋阻力系數(shù)。

(2)估算高真空布袋表面工藝粉塵層氣體阻力Δp2和過濾器結(jié)構(gòu)的氣體阻力Δp3。

(3)計算高真空布袋過濾器氣體阻力Δp=Δp1+Δp2+Δp3。

(4)通過計算所得Δp確定布袋有效過濾面積和濾料種類。

通過計算獲得高真空布袋過濾器濾料氣體阻力≤20 Pa，然后結(jié)合高真空布袋表面工藝粉塵層氣體阻力和過濾器結(jié)構(gòu)的氣體阻力得到高真空布袋過濾器氣體阻力。通過對鋼水真空精煉時透過布袋過濾器濾料廢棄流動狀態(tài)分析和布袋阻力分析，依據(jù)常壓下布袋綜合滲透率、綜合孔隙率、濾料透氣量等物性數(shù)據(jù)，對各種濾料在不同真空狀態(tài)下進行廢氣阻力估算，以指導(dǎo)或評估實布袋有效過濾面積和濾料種類的合理性，選取合理的參數(shù)，保證粉塵過濾效果；并且能夠在保證高真空下氣體阻力滿足鋼水精煉工藝要求范圍的同時，減少工藝時間，降低能耗，最大限度的降低生產(chǎn)成本。

4.5 計算機綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

在國內(nèi)外，用于真空精煉工藝的機械真空泵系統(tǒng)配套有電氣自動化系統(tǒng)，但其控制技術(shù)僅僅實現(xiàn)了機械真空泵逐級起動、運行、停止基本控制，沒有隨精煉工藝的變化適應(yīng)性地調(diào)控機械真空泵運行。現(xiàn)有電氣自動化系統(tǒng)也缺少安全保護措施，或者僅靠安全扭矩一種保護，沒有考慮如溫度、粉塵、振動、介質(zhì)、電氣系統(tǒng)等其他因素的保護措施。總之，現(xiàn)有控制技術(shù)對RH精煉工藝變化的響應(yīng)性弱、控制效率低、能耗高、安全性差、無智能化。

針對現(xiàn)有技術(shù)缺陷，中國重型院研發(fā)了一種基于精煉工藝的機械真空系統(tǒng)的控制方法[18-20]。該方法的系統(tǒng)控制流程圖如圖7所示。該控制模型被分為預(yù)抽模式、進泵模式、自由模式、輕處理模式、深脫氣模式、吹氧脫碳模式、待機模式、停機模式下的控制模型。

該機械真空系統(tǒng)控制模型在故障監(jiān)控模型下運行，該故障監(jiān)控模型包括溫控防護模型、除塵防護模型、電流防護模型、振動防護模型、變頻器故障防護模型、介質(zhì)異常防護模型。系統(tǒng)幾種防護模型的監(jiān)控流程圖如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

圖8 系統(tǒng)監(jiān)控流程圖

該綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及方法對真空精煉工藝變化的響應(yīng)性強、控制效率高、能耗低、安全性好。不僅實現(xiàn)了機械真空泵逐級變頻起動、穩(wěn)速運行和快速停止基本控制，而且能實現(xiàn)因真空精煉工藝方法和鋼液廢氣量變化對機械真空泵抽氣能力影響而進行的機械真空泵系統(tǒng)適應(yīng)性調(diào)節(jié)，同時故障監(jiān)控具有設(shè)備長期穩(wěn)定運行的保護功能。

5 生產(chǎn)應(yīng)用

山鋼集團日照公司的3座RH爐外精煉爐于2017年12月熱試成功。該系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示，系統(tǒng)由3級羅茨泵+1級螺桿泵共4級干式機械真空泵串并聯(lián)布置，采用變頻控制方式，氣體冷卻器給廢氣溫降，布袋除塵器用于廢氣除塵。鋼包公稱容量210 t，平均處理周期35 min，每座日平均處理爐數(shù)≥30，年工作天數(shù)330，年處理鋼水量600萬噸。經(jīng)過5年多的生產(chǎn)檢驗，生產(chǎn)能力完全滿足要求，精煉鋼水合格率高，具備生產(chǎn)各規(guī)格品種鋼的能力。至2020年，已為業(yè)主新增產(chǎn)值約8.2億元，節(jié)省能源開支約0.6億元，獲得了用戶好評。

表2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

6 現(xiàn)有技術(shù)對比

以210 RH爐配套的真空系統(tǒng)為例，技術(shù)對比如表3所示。該系統(tǒng)及其裝備處于國際先進水平。

表3 國內(nèi)外系統(tǒng)技術(shù)對比

7 結(jié)束語

自2016年底至今，中國重型院以EPC總承包形式先后完成了寶武韶鋼130 t VD爐、山鋼集團日照210 t RH爐、河鋼集團樂亭200 t RH爐、唐鋼中厚板120 t VD等以該系統(tǒng)及其核心技術(shù)為支撐的真空精煉項目。該系統(tǒng)具有高效、穩(wěn)定、操作便捷等優(yōu)點，生產(chǎn)的高附加值特種鋼現(xiàn)已銷往國內(nèi)外，獲得了用戶的高度認(rèn)可。

與原蒸汽真空泵系統(tǒng)噸鋼能耗相比，該系統(tǒng)噸鋼節(jié)能10～25倍，明顯提升了能源利用率，符合鋼鐵行業(yè)低碳節(jié)能的發(fā)展需求，有助于完成國家《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》的能效指標(biāo)任務(wù)。