鋼水脫氣用機械真空泵的最新發(fā)展
對比了鋼水脫氣工藝使用的干式機械真空泵和蒸汽噴射泵的特點(diǎn)，結果表明，干式機械真空泵在脫氣的質(zhì)量以及泵和配套的除塵系統、氣體冷卻系統的可靠性方面有明顯優(yōu)勢；標準化真空泵可以使制造成本相對更低，標準化的預組裝模塊式系統不僅在安裝和調試方面降低了成本，而且結構更為緊湊，更加節能、節水。
鋼水脫氣工藝使用的干式機械真空泵及其相對于蒸汽噴射泵的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)有了多方面的研究報道。技術(shù)的進(jìn)步不僅體現在使用這些泵脫氣的鋼水量和它們在世界各地的普及程度上，而且體現在達到的質(zhì)量水平以及泵和配套的除塵系統和氣體冷卻系統的可靠性方面。有些工廠(chǎng)使用這類(lèi)泵已有20多年，但沒(méi)有對轉子進(jìn)行過(guò)任何維修，沒(méi)有更換過(guò)任何軸承，只是在10000h后才更換齒輪箱油，過(guò)去10年間也沒(méi)有更換過(guò)濾筒。
不過(guò)，其他工廠(chǎng)卻由于過(guò)濾器設計不當、濾筒無(wú)自動(dòng)清理功能和灰塵去除方式不當等出現了問(wèn)題。
另外，未凈化氣體閥門(mén)并不總是能夠經(jīng)受住未凈化的高溫廢氣中高速灰塵顆粒的磨損作用，因而會(huì )失去嚴密性，導致過(guò)濾器出現問(wèn)題。
有些泵級之間的水/氣換熱器會(huì )在使用若干年后發(fā)生泄漏，必須進(jìn)行更換。有些工廠(chǎng)報告說(shuō)，轉子和馬達之間的彈性聯(lián)軸器存在著(zhù)磨損現象。
有鑒于此，真空泵供應商采取了相關(guān)措施，努力使泵系統(包括灰塵處理)更可靠、更經(jīng)濟、更緊湊，以便它們在將來(lái)也能用于從150t到350t的超大鋼水量。迄今為止，它們主要用于從30t到130t的較小爐容，只有少數例外能夠達到230t———在一套RH 系統中。
過(guò)去20年間所取得的進(jìn)展如下：
1)使用低成本的變頻器，這樣有助于減少泵的型號數量，減少壓力級數，使一種型號的泵適合所有國家和所有工藝步驟，節約效果十分明顯。
2)使用內部壓縮比很高的干式主泵，比如爪式泵、多級3葉羅茨泵和螺桿泵。用這些干式泵取代油封式旋轉葉片泵和旋轉活塞泵有很多優(yōu)點(diǎn)，因為它們能夠在相同的抽氣能力下達到更低的壓力，運行更安靜，振動(dòng)更小，重量更輕，結構更緊湊，幾乎免維護。事實(shí)上，現代螺桿泵不需要任何外置油過(guò)濾器，也不需要大量換油(比如，每臺葉片泵每3周換油多達70L)，排出的廢氣中根本不含油。
3)本文給出了配備水冷高速電機泵的開(kāi)發(fā)。
如今，鋼水真空脫氣使用的泵組全部是干式螺桿泵，以變量泵作主泵，以2～4級羅茨泵作增壓泵。所有泵級通常都采用變頻控制。
1、投資成本的情況
盡管沒(méi)有哪一種真空泵是專(zhuān)為鋼水脫氣的目的而開(kāi)發(fā)的，但事實(shí)已經(jīng)證明，為其他應用(比如涂鍍、干燥、化工和太陽(yáng)能)而開(kāi)發(fā)的真空泵可以成功地用于鋼水脫氣。
表1列出了多家供應商推出的典型真空泵。該表并沒(méi)有全面列舉所有供應商和所有泵的型號，主要是沒(méi)有包括許多中型羅茨泵和所有的預冷卻羅茨泵。
表1 鋼水脫氣用主泵和增壓泵的主要類(lèi)型
泵的成本在很大程度上取決于它們的產(chǎn)量和銷(xiāo)售量。如果按照單位抽氣能力來(lái)衡量的話(huà)[歐元/(m3/h)]，大批量生產(chǎn)的小型泵很可能比按照訂單生產(chǎn)的鋼水脫氣用大型泵更為便宜。
圖1描述了這種情況。圖中比較了一些傳統羅茨增壓泵和一種配有水冷高轉速電機的羅茨泵(WH7000)[12]按照歐元/(m3/h)來(lái)衡量的單位成本與它們的年產(chǎn)量之間的關(guān)系。
從該圖可以看出兩個(gè)影響價(jià)格的趨勢：
1)規格趨勢表明，由于材料和人力成本較低，大型泵比抽氣能力相同的小型泵便宜。
2)產(chǎn)量趨勢表明，增大產(chǎn)量可以因為降低了總成本而降低制造成本。
很顯然，無(wú)論是何種用途，每年生產(chǎn)1000～2000臺泵一定比產(chǎn)量非常有限的泵便宜，即使后者的規格要大的多。
圖1 泵的規格和產(chǎn)量對單位成本的影響
OLV WH7000、AM 15.11HV、AM 16.13HV、AM 17.15HV、AM 18.17HV、AM 19.19HV、AM20.21HV的有效抽氣能力(m3/h)及其最大工作頻率(Hz)分別為：7500、70；7500、60；12500、78；16500、63；27000、50；40000、40；80000、32。
由于能力的原因，鋼水脫氣設備需要多級泵系統。有些供應商提供預組裝3級泵組，其他供應商則不這樣做。
圖1給出了泵所有組件的成本和多級組裝過(guò)程中的運輸和安裝費用。
如果對完成安裝和測試的整套泵組進(jìn)行比較，根據具體組成情況將換熱器、閥、變頻器、管路(真空和液體)、電纜和支承結構等全部包括在內，那么，產(chǎn)量大的泵所具有的成本優(yōu)勢甚至會(huì )比圖1所示的更為明顯。
除了上述單位成本優(yōu)勢，產(chǎn)量大的小型泵還有供貨周期更短、售后服務(wù)更快的特點(diǎn)。
2、方案
歐瑞康萊寶真空設備公司(OLV)選擇了它所生產(chǎn)的兩種成熟的泵進(jìn)行組合：DV1200螺桿泵和一種很小但速度很快的WH7000羅茨泵。3級系統只使用了這兩種泵。其他供應商試圖借鑒這種作法，甚至使用更大的泵。
3、泵和電機的組合
除了上述重要的低成本因素，還應當強調指出其他優(yōu)點(diǎn)：OLV泵新設計的一個(gè)根本特點(diǎn)是采用了無(wú)電刷和不打火的封閉式水冷電機，如圖2所示。該示意圖展示了傳統的泵設計和采用封閉式電機的新設計之間的主要區別。
(a)傳統的羅次泵設計； (b)創(chuàng )新的封閉式設計。
圖2 傳統和新型泵-電機組合示意圖
這種新型泵和電機組合的優(yōu)點(diǎn)十分明顯：
1)軸承、油室和電機的水冷使其相對于傳統的羅茨泵增大了壓縮比，從而能夠以3級配置達到極低的壓力。不需要級間換熱器。
2)不再需要軸封以便同大氣隔離，因此，泵的可靠性和堅固性大幅度提高。在間歇式工藝中，它們可以在任何真空壓力下啟動(dòng)。
3)轉子和電機之間不再需要易磨損的彈性聯(lián)軸器。變頻控制的電機與轉子軸直接組裝在一起，以一種非常平穩和可控的方式使泵提速。這種一體式設計使泵的結構極其緊湊，而且密封效果極佳。
4)不再有電機電刷觸點(diǎn)打火現象。
5)不再使用電機軸承。
6)由于電機進(jìn)行了水冷卻，可以在較高的電流密度和較寬的頻率范圍(包括非常低的頻率)內運行。
4、標準化的模塊式配置
將泵安裝在一個(gè)兩層支架上，就得到了模塊式配置的泵組。
用于45t爐容的一種6-2-2配置的標準化泵組描述如下：
1)第1級包括兩臺DV1200泵，安裝在位于地面的滾輪上。
2)第2級的兩臺WH7000羅茨泵安裝在同樣位于地面的一個(gè)滾輪架上。這兩級在支架下方移動(dòng)，像洗衣機那樣通過(guò)快速接頭連接。
3)第3級包括6臺與第2級完全相同的WH7000羅茨泵。它們安裝在上層支架上，經(jīng)同一根共用集管連接在一起。
這種6-2-2配置的標準化泵組如圖3所示。
圖3 俄羅斯BVK/Chelyabinsk一套35tVOD設備上安裝的能力為45000m3/h的6-2-2模塊式泵組(長(cháng)5.5m，寬2.2m，高3.5m)
進(jìn)水/出水、吹掃氣體、控制電纜和數據傳輸電纜等所有連接均已組裝在支架內部的端子上。由于在抽真空或吹氧階段沒(méi)有任何泵級需要預冷卻或旁通，管路連接非常簡(jiǎn)單。
這種模塊式泵組已經(jīng)在制造廠(chǎng)完成了預組裝和測試，包括快速連接步驟。
專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的WH7000羅茨泵具有出色的自冷卻能力，加上冷卻水的優(yōu)化使用、壓力的分級和平穩的抽真空操作，這種模塊式泵組不需要任何級間換熱器，即使在VOD、VD-OB或RH-OB等工藝的吹氧階段氣流強度大和不限制吹氧量的情況下也不需要。
由于采用了水冷電機，這種泵組可以在很寬的頻率范圍內(包括極低頻率)大電流運行。再加上轉子慣量小，泵組尤其適用于壓降控制或在恒流量下運行。
預組裝的6-2-2泵組適合放置在一個(gè)20英尺開(kāi)頂集裝箱內，可以采用任何運輸方式。第一和第二級、安裝在電氣盤(pán)中的羅茨泵快速接頭、填充油和泵組支架的支腿則放置在另一個(gè)集裝箱中。它們在現場(chǎng)的最終組裝和連接只需數小時(shí)即可完成。
這種模塊既可以提供泵數較少的輕型配置(5-1-1或4-1-1)，以后可以方便地擴充；也可以提供泵數更多的升級配置(7-2-2到8-2-3)。
模塊的所有配置均只使用兩種不同的泵，簡(jiǎn)化了備件管理，降低了備件庫存成本。
5、高和超高的抽氣能力
高抽氣能力需要并行配置多個(gè)模塊。
一套4模塊8-2-2配置的組合系統能夠達到225000m3/h(小于100Pa)的有效抽氣能力，冗余能力為4×25%。各個(gè)模塊之間由一只DN800翻板閥隔開(kāi)。
如此大的能力對于200t鋼水來(lái)說(shuō)完全能夠滿(mǎn)足需要。
對不同供應商提供的泵組在能源、介質(zhì)和占用空間等方面進(jìn)行了比較，見(jiàn)表2。
4模塊8-2-2配置的示意圖見(jiàn)圖4。
6、工藝的適用性
該系統對于所有類(lèi)型的真空冶金工藝均適用，包括常見(jiàn)的鎮靜鋼RH、VD和VID工藝，非鎮靜鋼VCD工藝，低合金鋼VD-OB和RH-OB強制脫碳工藝，高鉻合金鋼在鋼包或轉爐內的VOD/VODC脫碳工藝，以及真空鑄錠(VIT)工藝(由于該工藝在低于33Pa的壓力下進(jìn)行，因而效果十分理想)。
OLV系統在廢氣中富含一氧化碳、二氧化碳或氬氣的情況下也適用。泵殼能夠承受1MPa壓力的沖擊。在所選泵型的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在惡劣的使用條件下進(jìn)行了耐久性試驗。還進(jìn)行了碰撞試驗，目的是確認即使在轉子卡住的情況下泵殼也不會(huì )損壞。
目前已提供的13套OLV模塊式系統大多數也用于VOD工藝(表3)。
所有泵都符合各個(gè)項目的當地安全規定，在關(guān)鍵的吹氧階段也沒(méi)有對任何泵級采取旁通措施。
如果客戶(hù)要求，可提供與ATEX相當的證書(shū)。
7、灰塵和蒸氣的處理
性能出色的所選泵組是真正的干式真空系統，避免了濕氣和硫蒸氣凝結，而且自動(dòng)向外排出灰塵(金屬蒸氣凝結物)。另外，水和油都無(wú)需過(guò)濾。
不過(guò)，任何機械泵都需要配備可靠的氣體冷卻、除塵和排灰系統，以保護其免受過(guò)多灰塵和高溫氣體的影響。通常采用織物過(guò)濾器，而有些工藝則除了織物過(guò)濾器以外還配備旋風(fēng)除塵器和氣體冷卻器，目標是確保泵組入口處的含塵量一定少于10mg/m3，溫度一定低于50℃。
在設計合理的系統中，這些配套設施不會(huì )使要求真空室達到的有效抽氣能力出現明顯降低。
表2 不同配置高效泵組的性能
圖4 4模塊8-2-2配置(225000m3/h)示意圖
表3 OLV提供的最新鋼水脫氣設備清單
8、自動(dòng)化
監控能夠保證安全和優(yōu)化的運行條件。自動(dòng)化涵蓋了變頻器和模塊內的所有電氣裝置。根據要求，還可以擴展到整個(gè)真空處理過(guò)程，包括灰塵過(guò)濾器的布袋清理和排灰操作、隔離閥、真空室及其蓋板等配件。
泵的轉子和電極具有小的質(zhì)量慣性，所以泵組更適用于壓降控制或恒定體積流量操作。不同啟動(dòng)點(diǎn)的抽真空模式、抽真空速度的顯著(zhù)延遲以及VOD模式存儲在標準程序里，不需要額外的硬件。操作者通過(guò)按鈕可以瞬時(shí)降低全部或幾個(gè)泵級的頻率。
一個(gè)階段每個(gè)模塊使用大量的泵自然就很多余。在4-1-2型模塊里，短的管路連接失效時(shí)，可以加單個(gè)中級泵進(jìn)行分流。在這種情況下，泵組作為2級系統工作，大約是滿(mǎn)負荷2/3的工作量。
在一個(gè)或兩個(gè)并行模塊中，每階段至少有2個(gè)泵，所有的泵可以通過(guò)瓣閥自動(dòng)隔離。
對3個(gè)或更多的模塊，因為每個(gè)模塊可以通過(guò)模塊組的主閥關(guān)閉，從而節約了這些隔離閥。
在所有情況下，泵組持續自動(dòng)地降低容量。
9、結語(yǔ)
在鋼水脫氣應用中，機械真空泵相對于蒸汽噴射泵的優(yōu)勢十分明顯。而且，標準化真空泵的制造成本也更低，已在鋼水脫氣和其他真空應用中得到工業(yè)化驗證的小型真空泵的高產(chǎn)量為此提供了保證。
泵和電機組合的一種新設計帶來(lái)了維修、耐磨損和安全性方面的優(yōu)點(diǎn)。
一種標準化的預組裝模塊式系統在安裝和調試方面進(jìn)一步降低了成本。與傳統的機械泵組相比，這種先進(jìn)的方案不僅結構更為緊湊，而且更加節能節水。
通過(guò)并行布置多個(gè)集成式模塊，能夠達到極高的抽氣能力。
這使得VD、RH 和VIT工藝對于大量和超大量鋼水的處理也可以考慮使用機械泵。
這種系統適合所有類(lèi)型的真空工藝，主要是因為它適合需要采取一些安全措施的吹氧工藝。
該設計也具有防塵和監控可能產(chǎn)生酸液的濕度功能。
泵的質(zhì)量慣性較小，因而在頻率調節控制抽真空時(shí)，可以進(jìn)行快速轉換。
在所有泵組配置中都給出了余量。
