分析了造成真空脫氣裝置抽氣系統(tǒng)阻降過大的可能性原因，建立了適用于工程設(shè)計(jì)的計(jì)算模型，計(jì)算得出氣體冷卻器是造成阻降過大的主要原因，計(jì)算結(jié)果與真空計(jì)實(shí)測值接近。提出了新的改進(jìn)辦法，如增加冷卻器通導(dǎo)面積，調(diào)整列管排布結(jié)構(gòu)。最后給出了一種新型的冷卻器設(shè)計(jì)方案，使系統(tǒng)阻降由200 Pa 降至21 Pa，工作真空度達(dá)到67 Pa 以上，終點(diǎn)[H]由2.2 ppm 降至1.4 ppm，滿足冶金工藝要求。該文對(duì)未來真空脫氣設(shè)備工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

　　真空脫氣(Vacuum Degassing，簡稱VD )是鋼液爐外精煉的重要手段之一，是指在一定的真空環(huán)境下，脫除鋼液中的有害氣體，如H 和O，并將N 含量降至較低范圍，對(duì)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的合金鋼具有重要的作用。終點(diǎn)[H]含量是VD 設(shè)備性能的主要考核指標(biāo)，為了滿足特殊鋼種的要求，一般要求處理后鋼液[H]含量≤2 ppm。為了獲得較好的脫氫率，根據(jù)溶解度和真空度服從二次方根定律的關(guān)系，工作真空度需高于67 Pa，也就是說，只有在真空罐內(nèi)壓強(qiáng)低于67 Pa 的狀態(tài)下，脫氫、脫氧目標(biāo)才能達(dá)到。

　　本文所研究的對(duì)象為國內(nèi)某用戶新建的VD真空脫氣裝置。相比于傳統(tǒng)設(shè)備而言，采用了無油機(jī)械泵機(jī)組，維護(hù)成本低，更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保。設(shè)備主要由以下部分組成：機(jī)械泵系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)和真空罐系統(tǒng)，如圖1 所示。機(jī)械泵機(jī)組由螺桿泵和羅茨泵組成，除塵系統(tǒng)由氣體冷卻器及布袋除塵器構(gòu)成，真空罐系統(tǒng)包含真空罐體、罐蓋及罐蓋車。為了監(jiān)測真空度，在整個(gè)抽氣管路上設(shè)定了兩個(gè)真空度測量點(diǎn)，一個(gè)靠近真空泵機(jī)組進(jìn)氣口，即測量點(diǎn)1(后簡稱閥后)，用于測量真空泵入口真空度，另外一個(gè)靠近真空罐系統(tǒng)，即測量點(diǎn)2(后簡稱閥前)，用于測量真空罐內(nèi)真空度。該設(shè)備在調(diào)試期間，真空計(jì)顯示閥后真空度為30 Pa，閥前真空度為210 Pa，系統(tǒng)阻降較大，閥前達(dá)不到67 Pa 的工作真空度，導(dǎo)致設(shè)備無法有效地脫除H，O，N 等有害氣體，導(dǎo)致處理后的鋼種達(dá)不到要求。因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為找出阻降產(chǎn)生的原因并降低阻降，使閥前真空度達(dá)到67 Pa 以上，就十分迫切和必要。

圖1 真空脫氣設(shè)備原理圖

1、原因分析

　　真空脫氣設(shè)備原理圖如圖1 所示，閥前、閥后測量點(diǎn)的中間部分由氣體冷卻器、布袋除塵器及中間管道共同構(gòu)成。因此阻降過大的原因可能由以下3 種中的一種或共同作用產(chǎn)生：(1) 管道自身的流導(dǎo)損失大；(2) 布袋除塵器內(nèi)的布袋阻降過大；(3)氣體冷卻器阻降過大。第一種猜測，由于設(shè)計(jì)選擇的管道通徑較大，且變徑和轉(zhuǎn)彎很少，計(jì)算得知工作狀態(tài)下的壓差損失小于10 Pa，不足以造成180 Pa 的阻降，

　　因此予以排除；第二種可能性，由于布袋除塵器內(nèi)部排布有很多細(xì)長的布袋，如圖2 所示。濾布的當(dāng)量孔徑約為10 μm，經(jīng)多次使用后，粉塵粘附板結(jié)會(huì)造成布袋的透氣阻力增大(如圖3)，引起布袋前后壓差變大。由于布袋毛細(xì)孔排布不規(guī)則，難以建立透氣量數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算得到阻降值有較大難度。采取的措施是：加大布袋規(guī)格，更換了部分布袋。觀測出系統(tǒng)阻降有所變小，但效果不是很明顯。因此，可以確認(rèn)布袋除塵器也不是造成阻降過大的根本原因。

圖2 布袋除塵器簡圖　圖3 使用過后的布袋

　　那么氣體冷卻器(后簡稱氣冷器)是阻降過大的唯一可能。如圖4 所示，該氣冷器由內(nèi)部多根列管并行排布構(gòu)成，主要用于降低被抽廢氣溫度，使經(jīng)過氣冷器后的氣體溫度低于布袋的自燃溫度，起到保護(hù)布袋的作用。設(shè)計(jì)上采用被抽氣體走管程，冷卻水走殼程的方案。每根列管長度為5 m，上下兩端各有一個(gè)法蘭盤焊接在氣冷器內(nèi)壁上，列管固定在上下兩個(gè)法蘭盤上。為了計(jì)算出進(jìn)氣口和出氣口的阻降，我們建立了一個(gè)適用于工程設(shè)計(jì)的計(jì)算模型，以驗(yàn)證冷卻器是阻降大小，并為日后工程設(shè)計(jì)提供方便。

2、理論計(jì)算

　　2.1、模型建立

　　冷卻器原理圖如圖5 所示，假設(shè)真空系統(tǒng)滿足流量連續(xù)性方程，冷卻器出口(靠近主泵口側(cè))的真空度為P2，冷卻器入口(靠近真空罐側(cè))的真空度為P1，由于列管的阻降，必定有P1>P2，同時(shí)假定P2 已知，計(jì)算出P1。

圖4 氣體冷卻器簡圖　圖5 氣體冷卻器原理圖

　　根據(jù)真空系統(tǒng)流量的連續(xù)性方程確定流量Q，同時(shí)計(jì)算出總的流導(dǎo)U，注意流導(dǎo)U 由列管流導(dǎo)、變徑流導(dǎo)和縮孔流導(dǎo)組成，計(jì)算出來的流導(dǎo)需進(jìn)行損耗系數(shù)ε 修正，得到實(shí)際流導(dǎo)U1，根據(jù)流量與流導(dǎo)之間的關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出間的阻降。

　　2.2、計(jì)算結(jié)果及分析

　　根據(jù)上述模型，我們選擇冷卻器出口真空度P2 為40 Pa~100 Pa，依次計(jì)算冷卻器入口的真空度P1，并與麥?zhǔn)险婵沼?jì)實(shí)測值作對(duì)比，得到結(jié)果如表1 所示：

表1 不同的出口真空度P1 對(duì)應(yīng)的入口真空度P2

　　從表中可以看出，冷卻器的壓差范圍為202 Pa~218 Pa，與麥克勞真空計(jì)實(shí)測值210~220 Pa 非常接近，進(jìn)一步證明了冷卻器自身的阻降是造成大壓差的主要原因。理論計(jì)算和實(shí)際測量的誤差是由于ε1 選取及麥克勞真空計(jì)自身的測量誤差造成。

3、改進(jìn)措施

　　在保證設(shè)計(jì)的抽氣量和工作真空度的要求下，我們對(duì)冷卻器作了如下改進(jìn)：

　　(1)增加氣冷器通導(dǎo)面積，有效提高氣冷器的流導(dǎo)，達(dá)到降低流阻的目的。

　　(2)調(diào)整列管排布結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增加列管的數(shù)目，降低氣冷器進(jìn)、出氣口壓差，同時(shí)應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本增加。

　　在上述改進(jìn)措施的基礎(chǔ)上，我們將冷卻器直徑調(diào)整到1 800 mm，列管數(shù)調(diào)整為400 根，對(duì)排布結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。假定工作時(shí)P2 為30 Pa，表2 對(duì)比了改進(jìn)前后真空系統(tǒng)閥前閥后真空度，系統(tǒng)阻降及脫氫指標(biāo)，從表中可以很明確的看出：當(dāng)閥后真空度同為30 Pa 時(shí)，改進(jìn)后的設(shè)備閥前真空度P1 從230 Pa 降至51 Pa，保證了罐內(nèi)67 Pa工作真空度， 同時(shí)系統(tǒng)阻降也從200 Pa 降至21 Pa，壓差大為降低，終點(diǎn)[H]由2.2 ppm 降至1.4 ppm，效果顯著，滿足了工藝上的要求。

表2 改進(jìn)前后系統(tǒng)真空度、阻降及脫氫指標(biāo)對(duì)比

4、結(jié)論

　　本文通過分析真空脫氣設(shè)備阻降過大的可能性原因，逐項(xiàng)排除推斷冷卻器是造成真空系統(tǒng)大阻降的主要原因，建立了一套數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出冷卻器的前后壓差，得出了如下結(jié)論：

　　(1)計(jì)算得出氣體冷卻除塵器是造成大阻降的根本原因；

　　(2)通過增加氣冷器通導(dǎo)面積、調(diào)整列管排布結(jié)構(gòu)、適當(dāng)增加列管數(shù)目等途徑是有效減少系統(tǒng)阻降的方法；

　　(3)采用直徑1800 mm，列管數(shù)目400根的新型冷卻器使系統(tǒng)阻降由200 Pa 降低至21 Pa，罐內(nèi)真空度由230 Pa 降低至51 Pa，脫氫指標(biāo)由2.2 ppm 降至1.4 ppm，保證了該真空脫氣設(shè)備達(dá)到正常的工藝要求。