复杂真空排气系统性能测试

摘要：真空排气系统抽气性能的好坏直接影响RH-KTB精炼的脱气、脱碳、脱氮的效果，极限真空度高低决定了钢水最终的气体含量。测试结果表明：相同负荷下真空度最终稳定在某一值。在无负荷抽真空工况下的稳定真空度（极限真空度）最大，系统稳定真空度随着负荷的增加而下降。对系统性能下降的原因进行了分析，水蒸气的入口温度，压力，流量的变动及冷凝器的冷凝效果不佳而导致的真空泵抽气能力下降以及系统泄漏是导致系统性能下降的主要原因。

关键词： RH-KTB 炉外精炼 真空抽气系统 测试

1、前言

超纯净钢生产的技术研发已经成为全球钢铁业关注的热点领域之一。而超纯净钢生产要完成一系列复杂的工艺过程，其中主要完成脱氢、脱碳、脱硫、脱氧等工艺[1-3]。RH-KTB炉外精炼是完成上述主要工艺、实现超纯净钢生产的有效手段之一。RH-KTB炉外精炼设备包括熔池和真空抽气系统。鉴于市场的需求和RH-KTB炉外精炼的重要性，近年来国内外许多学者对RH-KTB炉外精炼工艺进行了研究并取得了一些成果。但绝大多数是针对熔池进行的研究，特别是熔池内钢水的流动和脱气行为的研究，没有考虑熔池真空度的变化对脱气的影响，而对真空抽气系统抽气性能的研究却少见报道。然而钢水的脱气行为不仅与钢水的流动、熔池内的化学反应有关还与真空抽气系统对熔池的抽气行为有更直接的关系。因此真空抽气系统性能好坏直接关系到RH-KTB精炼的整体效果。然而保证真空抽气系统长期稳定可靠的工作却面临一系列问题。原因在于（1）理论研究不成熟。目前的抽吸理论基本上是定压混合理论和定常混合面积理论，对气体的流动模型进行了简化。同时能源介质的稳定性及系统的内漏外漏决定了理论研究与实际有较大的差距。（2）实验研究不够充分。对真空抽气系统进行系统的实验研究，特别对其在不同工况下的抽气能力特性的实验研究尤为迫切。实践表明真空抽气系统抽气性能下降会对RH-KTB脱气效果产生不良影响。本文通过对RH-KTB（2RH） 炉外精炼抽气系统进行的性能测试，确定了不同负荷下的稳定真空度。希望对指导钢铁生产和进一步的理论研究有一定的参考。

2、实验条件

本文以钢水真空精炼用的RH-KTB炉外精炼真空系统为例进行分析。实验设备有RH-KTB炉外精炼抽气系统、11个压力传感器分别用于各级泵入口的真空度的测量及水蒸气、冷凝水压力的测量、3个温度传感器及2个流量计用于水蒸气、冷凝水过程量的测量。工业控制计算机完成信号的采集与处理。其它设备略。RH-KTB系统是多级高架式水蒸气喷射真空泵与多级冷凝器串联而成，用来对真空室内的钢水脱碳、脱氢、脱氧处理及成分、温度调整。工作时首先打开4A、4B的蒸气阀，使4A、4B真空泵对真空室预抽真空；一分钟左右启动3A、3B，再过一分钟左右分别启动S2及S1并关闭3A、4B，大约过两分钟真空室内的气体压力达到高真空稳定值（2.5mbar），这是开始对真空室内的钢水进行脱氢、脱氧直到气体含量达到指标。从而实现钢水的真空精炼。RH-KTB真空系统如图1所示。

RH-KTB系统工作目的是在真空室内创造出清洁真空环境从而使钢水内气体分压大于钢水外的气体分压，加速钢水除气。产生真空环境的真空泵在能源介质（水蒸气、冷凝水等）综合作用下工作。因此，真空系统各种状态表现都与能源介质的状态有直接的关系。

3、实验方法

（1）无负荷抽真空。关闭真空系统主阀，依次启动各级泵对系统无负荷抽真空，同时工控机每隔10秒钟记录系统真空度随时间的变化值，直到真空度达到稳定状态后停止实验。打开真空系统主阀，关闭蒸汽阀、冷凝水阀。重复实验3次。（2）有负荷抽真空。关闭真空系统主阀，分别以不同漏气量的标准漏孔为负荷依次启动各级泵对系统抽真空，同时工控机每隔10秒钟记录系统真空度随时间的变化值，直到真空度达到稳定状态后停止实验。打开真空系统主阀，关闭蒸汽阀、冷凝水阀。

4、结果与讨论

图2-图7 为无负荷及各种负荷下真空系统的真空度随时间变化的实验曲线图。从图2-图7可见系统真空度随着负荷的增加而下降， 随着相对时间的增加系统真空度稳定在某一稳定值。经计算得，负荷为6400Kg/h抽真空工况下的真空度最低，在17342Pa左右， 负荷为2200Kg/h时的稳定真空度为550Pa， 负荷为1500Kg/h时的稳定真空度为131Pa， 负荷为1000Kg/h时的稳定真空度为88Pa， 负荷为50Kg/h时的稳定真空度为70Pa，在无负荷抽真空工况下的稳定真空度最大，其平均值为55Pa。这说明系统的抽气性能略有下降。原因在于（1）、系统泄漏。2RH的参考极限真空度在系统综合漏气量≤15Kg/h前提下的理想值，而实际生产中多少存在漏气现象。 （2）、冷凝水的入口温度，压力，流量的变动导致冷凝器的冷凝效果不为最佳，致使蒸汽因来不及冷凝而直接进入下一级泵，加大后级泵的负荷，影响泵的抽气能力。 （3）、蒸气的过饱和度不够导致水蒸气有一定量的湿蒸汽。（4）、泵喷嘴因磨损、堵塞等原因，使某级泵功能退化致使系统综合抽气能力下降。（5）、数据检测装置的误差等。但实际精炼中RH-KTB的工作真空度仍然能达到67Pa，这说明尽管性能略有下降系统仍处于正常状态。为了保证有良好的性能，生产中应尽量使极限真空度为最高状态。因为极限真空度越高会则降低熔池内的各气体分压、加速参与反应的物质的传质、加快钢水脱气行为。在处理时间相同的条件下极限真空度越低，最终钢水中各气体含量越低，如脱碳能力随减压增强，到达预定真空度越快，脱碳速度越快，这也说明极限真空度越低脱碳越充分[4-7]，极限真空度对钢液脱氮也具有决定性影响，极限真空度越高脱氮速度越快，钢液中氮含量越低。这也是近年来真空系统加大抽气能力的原因。

5、结论

无负荷抽真空工况下的稳定真空度（极限真空度）最大，系统稳定真空度随着负荷的增加而下降。实际正常生产中真空系统的极限真空度略低于参考极限真空度，但可以达到工作真空度，说明随着使用时间的延长设备的性能也在逐步下降。系统漏气、水蒸气及冷凝水的过程量的变化对系统的性能下降有较大的影响。■

参考文献

[1] Charles J L.National Steel Unveils Vacuum Degasser at Great Lakes Div[J].Iron and Steel Engineer，1990，67（6）：64～65.

[2] 住田 夫，藤井 也，小口征南，ほか.底吹转炉とRH 流式真空脱ガス装置による 低碳素钢の制度[J].川崎技 ，1983，15（2）：152～157.

[3] T P Mcaloon， RH Technology Update[J].Iron and Steelmaker：1991.18（7） ：34～35

[4] 汪周勋.炼钢真空脱气系统泄漏的控制[J]， 炼钢，2001，17（3）：31～33

[5] 张鉴主编.炉外精炼的理论与实践[J].北京：冶金工业出版社，1993：548

[6] 区 铁.RH真空处理钢水循环流量的研究[J] 炼钢，1993，（2）：56～60

[7] 田中英雄，神原路晤，林顺一 RH真空脱ガヌ法の环流量特性[J] 制铁研究， 1978， （293）：49