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RH干式真空泵系統的配置與設計
信息來源:大路通官網 日期:2020-07-05

節能環保是當前冶金行業面臨的重要課題,對于鋼水真空精煉,蒸汽泵系統和干式泵系統都能滿足抽真空的要求。蒸汽泵系統具有設備一次投資較低的優勢,但是投產后的綜合運行成本比較高,除了消耗電,還消耗大量的水和蒸汽;而干式泵系統主要消耗少量的電,在節能方面具有較大優勢。尤其對于需要用燃料燃燒產生鍋爐蒸汽的用戶,研究干式泵技術在鋼水二次精煉中的應用,其節能減排的社會效益顯著

早在20世紀20年代,德國一家有色冶金工廠就將一臺羅茨機械泵用在4t真空感應爐上。21世紀初期,隨著機械制造業技術水平的提高,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域又獲得重視,得以重新應用。使用干式機械泵的真空脫氣技術是由羅馬尼亞的Adrem Invest公司在 1998年發明的(專利號為RO 118309),應用在COST特種合金鋼廠12 t VOD項目中[2]2009年重鋼院與AdremInvest公司合作,國內首套煉鋼RH干式真空泵在重鋼成功應用,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。由于具有長期較低的運行成本優勢,國內鋼水真空精煉領域開始重點關注機械真空泵的應用。以某鋼廠特鋼項目為例介紹100tRH干式機械泵系統設計方案。

2 100 t RH真空泵系統設計條件

2.1 工程背景

某鋼廠特鋼項目產品定位為優、特鋼品種。其主要工藝配置:2KR2100t轉爐、2LF1100t RH14流矩形坯和25流方坯。其產品規模與品種:鋼水180.5t/a,連鑄坯171.4t/a;產品大綱以優質特鋼為主,有合金結構鋼、冷鐓鋼、船用錨鏈圓鋼、軸承鋼、彈簧鋼、預應力鋼絞線、鋼簾線等。

2.2 設計基本數據

真空泵系統設計基本數據見表1


100tRH干式泵方案基本數據

RH系統的設計冶金效果見表2

2  RH 冶金效果工藝指標

RH 冶金效果工藝指標

3 真空泵系統的設計與配置

3.1 100t RH真空泵系統抽氣能力計算

脫氣時間一般在15-18min,處理鋼水100t/爐。

真空脫氣類鋼液最大放氣量見表3

真空脫氣類鋼液最大放氣量表

對于脫氣鋼種,每噸鋼液放氣量Q1為每噸鋼液放出氫氣量QH與放出氮氣量QN之和,即:

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

循環氣體氬流量(氬氣密度取1.784kg/ Nm3Q2=95×1.784=169.48 kg/h

頂槍攝像頭用氮氣量(氮氣密度取1.25kg/ Nm3Q3=150×1.25=187.5 kg/h

則:∑Q =Q1+Q2Q3=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KM=0.98

Q空氣=379.38×KM=379.38×0.98=371.8 kg/h

根據抽氣入口溫度約250℃,換算成20℃空氣,查表KAT=1.12

Q20=371.8×KAT=371.8×1.12=416.4 kg/h

考慮泵抽氣能力7%的漏氣率,則泵系統抽氣能力為:

Q抽氣=Q20/0.93=416.4/0.93=447.7 kg/h

根據以上計算結果,并與國內類似RH實際應用泵能力比較后,確定真空泵的抽氣能力為500 kg/h

國內類似鋼廠RH抽氣能力數據見表4

國內類似鋼廠RH抽氣能力

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

圖1 100t RH真空泵系統抽氣質量流量壓力曲線圖


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

圖2 真空泵抽氣能力與系統放氣流量曲線


3.2 真空泵系統配置

3.2.1 機械真空泵系統組成

真空泵系統包括:泵組及其之間的連接管道和閥門;煙氣除塵器;連接泵系統和除塵器的閥門及管道;雙路電源系統;電氣柜;變頻器;MCC以及其他所有相關電器設備;包括主PLCHMI服務器以及相關通訊設備的自動化控制系統;包括檢測儀表、特殊監視器(例如激光粉塵監視器)以及溫度儀表等的現場儀表系統等。

3.2.2 機械泵組選型

用于鋼水真空脫氣的真空泵組一般通過兩項參數來定義:泵組的級數以及泵的種類。兩項參數都是由系統根據具體工藝所需的抽氣能力決定的。從一個大氣壓(101300Pa)下到達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泵的種類和數量。考慮到大排量羅茨泵無法承受高壓差,設計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級泵:3級羅茨真空泵和1級螺桿泵。每級泵的數量都是根據所要求的氣體流量(抽氣能力)決定的。并考慮到泵的價格、可靠性、維護和冗余(在泵事故停止或者維護的情況下能夠不影響正常的真空脫氣處理),進行優化。    

泵系統配置見圖3

真空泵系統配置圖


11級泵組

1級泵組包括6臺在100Pa下抽氣能力為 75000m3/h的羅茨泵,因此1級泵的抽氣能力為450000m3/h。此級泵只在真空槽內的真空度低于3000Pa時運行。1級泵的持續運行可以保證真空槽內50Pa的真空度以及承受300-500Pa的壓差。1級泵的極限真空度為20Pa

所有的泵都用變頻器控制。泵將以750rpm運行。當系統需要更高的抽氣能力時,1級泵可以以900rpm運行,達到91000m3/h的抽氣能力。這一級的裝機容量為270kW,而正常運行時只需消耗150-170kW

22級泵組

2級泵組包括6臺額定抽氣能力為19000m3/h、能在10000Pa運行的羅茨真空泵,抽氣能力為114000m3/h,所能到達的極限真空度為350Pa。所用的泵都用變頻器控制。每臺泵的裝機容量為45 kW,總裝機容量為270kW。泵的進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。

33級泵組

3級泵組包括4臺帶有預抽氣體冷卻、1500 rpm下額定抽氣能力為16000m3/h、運行于1000-10000Pa的羅茨泵。3級泵總的有效抽氣能力為64000m3/h。在吹氧的過程中,3級泵將發揮作用,而1級和2級泵將通過旁道進行短接。每臺泵的裝機容量為200 kW ,總裝機容量為800 kW,實際運行下的消耗為450-600kW3級泵的進出氣口都設有一個旁通。

44級泵組

4級泵組包括4臺干式螺桿泵,每臺都帶有55kW的電機,其抽氣能力為2500m3/h,可以最大承受100000Pa的壓差。這一級的裝機容量為225kW,實際消耗約為180kW

整個泵系統工作程序見表5

真空泵系統工作狀態 

真空泵系統工作狀態

3.2.3 煙氣除塵器系統配置

真空泵系統前端配套設計有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臺除塵過濾器用于RH脫氣和真空碳脫氧處理階段,第2臺過濾器用于RH強制吹氧脫碳階段。過濾器本身是旋風除塵器和帶反吹清掃系統的布袋/陶瓷過濾器的組合體[5]。該除塵器設計特點:

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

4 機械真空泵系統主要技術參數

4.1 除塵器主要技術參數

除塵器主要技術參數見表6

除塵器主要技術參數

4.2 機械泵組參數

機械泵組參數見表7

機械泵組主要技術參數

4.3 機械泵與傳統蒸汽泵運行節能比較

機械泵與傳統蒸汽泵運行節能比較情況見表8

8 100tRH機械泵與蒸汽泵噸鋼運行成本比較

機械泵與蒸汽泵噸鋼運行成本比較

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

5 結語

介紹100t RH干式真空泵抽氣能力的計算、系統設備配置和設計的技術指標,并與同規模采用蒸汽泵方案的100t RH進行了運行成本對比,采用機械泵比采用蒸汽泵噸鋼可節約成本12.315元,采用機械泵設計方案回收高出蒸汽泵的投資成本一般不超過2a


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