對比了鋼水脫氣工藝使用的干式機(jī)械真空泵和蒸汽噴射泵的特點(diǎn)，結(jié)果表明，干式機(jī)械真空泵在脫氣的質(zhì)量以及泵和配套的除塵系統(tǒng)、氣體冷卻系統(tǒng)的可靠性方面有明顯優(yōu)勢；標(biāo)準(zhǔn)化真空泵可以使制造成本相對更低，標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)組裝模塊式系統(tǒng)不僅在安裝和調(diào)試方面降低了成本，而且結(jié)構(gòu)更為緊湊，更加節(jié)能、節(jié)水。

　　鋼水脫氣工藝使用的干式機(jī)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://www.13house.cn/)有了多方面的研究報(bào)道。技術(shù)的進(jìn)步不僅體現(xiàn)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(xiàn)在達(dá)到的質(zhì)量水平以及泵和配套的除塵系統(tǒng)和氣體冷卻系統(tǒng)的可靠性方面。有些工廠使用這類泵已有20多年，但沒有對轉(zhuǎn)子進(jìn)行過任何維修，沒有更換過任何軸承，只是在10000h后才更換齒輪箱油，過去10年間也沒有更換過濾筒。

　　不過，其他工廠卻由于過濾器設(shè)計(jì)不當(dāng)、濾筒無自動(dòng)清理功能和灰塵去除方式不當(dāng)?shù)瘸霈F(xiàn)了問題。

　　另外，未凈化氣體閥門并不總是能夠經(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(yán)密性，導(dǎo)致過濾器出現(xiàn)問題。

　　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。有些工廠報(bào)告說，轉(zhuǎn)子和馬達(dá)之間的彈性聯(lián)軸器存在著磨損現(xiàn)象。

　　有鑒于此，真空泵供應(yīng)商采取了相關(guān)措施，努力使泵系統(tǒng)(包括灰塵處理)更可靠、更經(jīng)濟(jì)、更緊湊，以便它們在將來也能用于從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(shù)例外能夠達(dá)到230t———在一套RH 系統(tǒng)中。

　　過去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(shù)量，減少壓力級數(shù)，使一種型號的泵適合所有國家和所有工藝步驟，節(jié)約效果十分明顯。

　　2)使用內(nèi)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(zhuǎn)葉片泵和旋轉(zhuǎn)活塞泵有很多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兡軌蛟谙嗤�的抽氣能力下達(dá)到更低的壓力，運(yùn)行更安靜，振動(dòng)更小，重量更輕，結(jié)構(gòu)更緊湊，幾乎免維護(hù)。事實(shí)上，現(xiàn)代螺桿泵不需要任何外置油過濾器，也不需要大量換油(比如，每臺葉片泵每3周換油多達(dá)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(jī)泵的開發(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

　　盡管沒有哪一種真空泵是專為鋼水脫氣的目的而開發(fā)的，但事實(shí)已經(jīng)證明，為其他應(yīng)用(比如涂鍍、干燥、化工和太陽能)而開發(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(yīng)商推出的典型真空泵。該表并沒有全面列舉所有供應(yīng)商和所有泵的型號，主要是沒有包括許多中型羅茨泵和所有的預(yù)冷卻羅茨泵。

表1　鋼水脫氣用主泵和增壓泵的主要類型

　　泵的成本在很大程度上取決于它們的產(chǎn)量和銷售量。如果按照單位抽氣能力來衡量的話[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(tǒng)羅茨增壓泵和一種配有水冷高轉(zhuǎn)速電機(jī)的羅茨泵(WH7000)[12]按照歐元/(m³/h)來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(guī)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?yàn)榻档土丝偝杀径�降低制造成本�?/p>

　　很顯然，無論是何種用途，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(guī)格要大的多。

圖1　泵的規(guī)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(shè)備需要多級泵系統(tǒng)。有些供應(yīng)商提供預(yù)組裝3級泵組，其他供應(yīng)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程中的運(yùn)輸和安裝費(fèi)用。

　　如果對完成安裝和測試的整套泵組進(jìn)行比較，根據(jù)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(jié)構(gòu)等全部包括在內(nèi)，那么，產(chǎn)量大的泵所具有的成本優(yōu)勢甚至?xí)�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(shè)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(tǒng)只使用了這兩種泵。其他供應(yīng)商試圖借鑒這種作法，甚至使用更大的泵。

3、泵和電機(jī)的組合

　　除了上述重要的低成本因素，還應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出其他優(yōu)點(diǎn)：OLV泵新設(shè)計(jì)的一個(gè)根本特點(diǎn)是采用了無電刷和不打火的封閉式水冷電機(jī)，如圖2所示。該示意圖展示了傳統(tǒng)的泵設(shè)計(jì)和采用封閉式電機(jī)的新設(shè)計(jì)之間的主要區(qū)別。

(a)傳統(tǒng)的羅次泵設(shè)計(jì)；　(b)創(chuàng)新的封閉式設(shè)計(jì)。

圖2　傳統(tǒng)和新型泵-電機(jī)組合示意圖

　　這種新型泵和電機(jī)組合的優(yōu)點(diǎn)十分明顯：

　　1)軸承、油室和電機(jī)的水冷使其相對于傳統(tǒng)的羅茨泵增大了壓縮比，從而能夠以3級配置達(dá)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(jiān)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(zhuǎn)子和電機(jī)之間不再需要易磨損的彈性聯(lián)軸器。變頻控制的電機(jī)與轉(zhuǎn)子軸直接組裝在一起，以一種非常平穩(wěn)和可控的方式使泵提速。這種一體式設(shè)計(jì)使泵的結(jié)構(gòu)極其緊湊，而且密封效果極佳。

　　4)不再有電機(jī)電刷觸點(diǎn)打火現(xiàn)象。

　　5)不再使用電機(jī)軸承。

　　6)由于電機(jī)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(nèi)運(yùn)行。

4、標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)那樣通過快速接頭連接。

　　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(biāo)準(zhǔn)化泵組如圖3所示。

圖3　俄羅斯BVK/Chelyabinsk一套35tVOD設(shè)備上安裝的能力為45000m3/h的6-2-2模塊式泵組(長5.5m，寬2.2m，高3.5m)

　　進(jìn)水/出水、吹掃氣體、控制電纜和數(shù)據(jù)傳輸電纜等所有連接均已組裝在支架內(nèi)部的端子上。由于在抽真空或吹氧階段沒有任何泵級需要預(yù)冷卻或旁通，管路連接非常簡單。

　　這種模塊式泵組已經(jīng)在制造廠完成了預(yù)組裝和測試，包括快速連接步驟。

　　專門開發(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(wěn)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(qiáng)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(jī)，這種泵組可以在很寬的頻率范圍內(nèi)(包括極低頻率)大電流運(yùn)行。再加上轉(zhuǎn)子慣量小，泵組尤其適用于壓降控制或在恒流量下運(yùn)行。

　　預(yù)組裝的6-2-2泵組適合放置在一個(gè)20英尺開頂集裝箱內(nèi)，可以采用任何運(yùn)輸方式。第一和第二級、安裝在電氣盤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(xiàn)場的最終組裝和連接只需數(shù)小時(shí)即可完成。

　　這種模塊既可以提供泵數(shù)較少的輕型配置(5-1-1或4-1-1)，以后可以方便地?cái)U(kuò)充；也可以提供泵數(shù)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(tǒng)能夠達(dá)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。

　　如此大的能力對于200t鋼水來說完全能夠滿足需要。

　　對不同供應(yīng)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，見表2。

　　4模塊8-2-2配置的示意圖見圖4。

6、工藝的適用性

　　該系統(tǒng)對于所有類型的真空冶金工藝均適用，包括常見的鎮(zhèn)靜鋼RH、VD和VID工藝，非鎮(zhèn)靜鋼VCD工藝，低合金鋼VD-OB和RH-OB強(qiáng)制脫碳工藝，高鉻合金鋼在鋼包或轉(zhuǎn)爐內(nèi)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(tǒng)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。在所選泵型的開發(fā)過程中，在惡劣的使用條件下進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)。還進(jìn)行了碰撞試驗(yàn)，目的是確認(rèn)即使在轉(zhuǎn)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(tǒng)大多數(shù)也用于VOD工藝(表3)。

　　所有泵都符合各個(gè)項(xiàng)目的當(dāng)?shù)匕踩��?guī)定，在關(guān)鍵的吹氧階段也沒有對任何泵級采取旁通措施。

　　如果客戶要求，可提供與ATEX相當(dāng)?shù)淖C書。

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(tǒng)，避免了濕氣和硫蒸氣凝結(jié)，而且自動(dòng)向外排出灰塵(金屬蒸氣凝結(jié)物)。另外，水和油都無需過濾。

　　不過，任何機(jī)械泵都需要配備可靠的氣體冷卻、除塵和排灰系統(tǒng)，以保護(hù)其免受過多灰塵和高溫氣體的影響。通常采用織物過濾器，而有些工藝則除了織物過濾器以外還配備旋風(fēng)除塵器和氣體冷卻器，目標(biāo)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(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)中，這些配套設(shè)施不會(huì)使要求真空室達(dá)到的有效抽氣能力出現(xiàn)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(shè)備清單

8、自動(dòng)化

　　監(jiān)控能夠保證安全和優(yōu)化的運(yùn)行條件。自動(dòng)化涵蓋了變頻器和模塊內(nèi)的所有電氣裝置。根據(jù)要求，還可以擴(kuò)展到整個(gè)真空處理過程，包括灰塵過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(zhuǎn)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、抽真空速度的顯著延遲以及VOD模式存儲在標(biāo)準(zhǔn)程序里，不需要額外的硬件。操作者通過按鈕可以瞬時(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(tǒng)工作，大約是滿負(fù)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，所有的泵可以通過瓣閥自動(dòng)隔離。

　　對3個(gè)或更多的模塊，因?yàn)槊總�(gè)模塊可以通過模塊組的主閥關(guān)閉，從而節(jié)約了這些隔離閥。

　　在所有情況下，泵組持續(xù)自動(dòng)地降低容量。

9、結(jié)語

　　在鋼水脫氣應(yīng)用中，機(jī)械真空泵相對于蒸汽噴射泵的優(yōu)勢十分明顯。而且，標(biāo)準(zhǔn)化真空泵的制造成本也更低，已在鋼水脫氣和其他真空應(yīng)用中得到工業(yè)化驗(yàn)證的小型真空泵的高產(chǎn)量為此提供了保證。

　　泵和電機(jī)組合的一種新設(shè)計(jì)帶來了維修、耐磨損和安全性方面的優(yōu)點(diǎn)。

　　一種標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)組裝模塊式系統(tǒng)在安裝和調(diào)試方面進(jìn)一步降低了成本。與傳統(tǒng)的機(jī)械泵組相比，這種先進(jìn)的方案不僅結(jié)構(gòu)更為緊湊，而且更加節(jié)能節(jié)水。

　　通過并行布置多個(gè)集成式模塊，能夠達(dá)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(jī)械泵。

　　這種系統(tǒng)適合所有類型的真空工藝，主要是因?yàn)樗�適合需要采取一些安全措施的吹氧工藝。

　　該設(shè)計(jì)也具有防塵和監(jiān)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(diào)節(jié)控制抽真空時(shí)，可以進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換。

　　在所有泵組配置中都給出了余量。