CN103820604B - 一种用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，包括第一蒸汽增压泵、第二蒸汽增压泵、第三蒸汽增压泵以及第一中央冷凝器；所述第一蒸汽增压泵依次通过所述第二蒸汽增压泵、所述第三蒸汽增压泵连通至所述第一中央冷凝器；还包括一缓冲冷凝罐、一罗茨真空泵以及一螺杆真空泵；所述缓冲冷凝罐的进气口连通至所述第一中央冷凝器的出气口，所述缓冲冷凝罐的出气口通过一真空分配管连通至所述罗茨真空泵的进气口；所述罗茨真空泵的出气口连通至所述螺杆真空泵的进气口；所述螺杆真空泵的出气口连通至一系统排气口。本发明具有能源浪费少、粉尘污染少、不惧高温、能耗低等诸多优点。

Description

一种用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统

技术领域

本发明涉及一种冶金行业中的抽真空设备，特别是一种用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统。

背景技术

在冶炼行业中，特种钢铁的转炉中需要对钢水进行真空脱气处理，即在一定真空条件下对钢水进行脱氧、脱氢、脱氮处理。上世纪五十年代，人们发现，钢水中的氢和氮会导致冒渣现象，从而导致钢水无法浇注或钢材轧制后产生废品，因此在精炼过程中必须对钢水进行真空脱气处理。在具有真空脱气功能的精炼设备中，VD/VOD装置和RH装置运用最为广泛。RH（真空循环脱气）装置是一种钢水吸入式循环处理的真空精炼方法，其真空室下部设有两支插入管，可插入下面钢水罐的钢液中，对其中一支插入管吹入惰性气体氩气（Ar），使钢液向上流动进入真空室处理，通过另一支插入管将钢水回流到钢水罐中，如此进行循环处理，其优点在于处理时间短、成本低、能够与转炉连铸匹配，因而大量应用与转炉工序。VD/VOD（真空脱气/真空吹氧脱气）装置则是将钢水罐放置在真空密封罐内进行真空处理，处理时间短、钢水处理量大。上述各种真空脱气冶炼炉在冶炼过程中都会排出大量冶炼气体，由于真空冶炼炉内接近真空，其气压远低于外界的大气压，冶炼气体不可能直接排出，因此要使用专用的抽真空设备，对气体多次增压处理才能排出。

在现有技术的真空冶炼炉中，大多使用多级（五级或六级）全蒸汽喷射泵组成的真空系统作为冶炼气体的抽真空设备，包括前端三级的增压蒸汽泵、后端二级的蒸汽喷射泵，以及三个蒸汽中间中央冷凝器，用于避免过多的水蒸汽对系统真空造成影响；也有一些使用全机械真空泵组成的真空系统作为真空脱气设备，包括前端二级或三级罗茨泵以及后端一级干式螺旋泵。

多级全蒸汽喷射泵组成的真空脱气系统，需要消耗大量的蒸汽，所述蒸汽的一般来源自转炉时产生的余热蒸汽和自备的燃煤锅炉产生的蒸汽。在水被加热变成蒸汽、蒸汽通过管道阀门输送，蒸汽喷射减压相变等过程中，蒸汽作为一种能源被消耗，能量的转换效率非常低，能源消耗巨大。而且，若是采用燃煤锅炉产生蒸汽，蒸汽及其冷凝水会夹带冲刷大量炉灰和精炼出来的有害物质溶入水中，以及生产过程产生的近120分贝的噪音，都会造成环境的重大污染。

全机械真空泵组成的真空脱气系统，不需要消耗蒸汽，而是采用电能驱动机械泵抽真空，其消耗的能量（转换成热量大卡）同比蒸汽喷射泵要节省了80%左右，但机械真空泵很难处理高温以及粉尘含量较高的气体，因此在采用机械真空泵作为真空冶炼炉的真空系统需要在系统之前配备真空布袋式过滤器以及降温装置，而且转炉产生的余热蒸汽不能得到充分利用，只能散失。该系统稳定性较差，故障率较高，而且成本较高，一套完整的机械真空泵的真空系统的生产成本比一套完整的蒸汽喷射泵的真空系统的生产成本要贵4-5倍左右。

发明内容

本发明提供一种用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，有效解决了现有技术的真空脱气设备存在的能源浪费严重、环境污染严重、生产成本过高等技术问题。

为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

本发明涉及一种用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，包括第一蒸汽增压泵、第二蒸汽增压泵、第三蒸汽增压泵以及第一中央冷凝器；所述第一蒸汽增压泵依次通过所述第二蒸汽增压泵、所述第三蒸汽增压泵连通至所述第一中央冷凝器；还包括一缓冲冷凝罐、一罗茨真空泵以及一螺杆真空泵；所述缓冲冷凝罐的进气口连通至所述第一中央冷凝器的出气口，所述缓冲冷凝罐的出气口通过一真空分配管连通至所述罗茨真空泵的进气口；所述罗茨真空泵的出气口连通至所述螺杆真空泵的进气口；所述螺杆真空泵的出气口连通至一系统排气口。

本发明所述的用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，还包括第四蒸汽增压泵、第五蒸汽增压泵、第二中央冷凝器及第三中央冷凝器；所述第一中央冷凝器通过所述第四蒸汽增压泵连通至所述第二中央冷凝器；所述第二中央冷凝器通过所述第五蒸汽增压泵连通至所述第三中央冷凝器；所述第三中央冷凝器的排气口连通至所述系统排气口。

本发明所述的用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，还包括一第二罗茨真空泵以及一第二螺杆真空泵；所述缓冲冷凝罐的出气口通过所述真空分配管连通至所述第二罗茨真空泵的进气口；所述第二罗茨真空泵的出气口连通至所述第二螺杆真空泵的进气口；所述第二螺杆真空泵的出气口连通至所述系统排气口。

所述螺杆真空泵和/或所述第二螺杆真空泵可以用一直排式气冷罗茨泵代替，所述罗茨真空泵和/或所述第二罗茨真空泵的出气口连通至所述直排式气冷罗茨泵的进气口；所述直排式气冷罗茨泵的出气口连通至所述系统排气口。

所述第一中央冷凝器、所述第二中央冷凝器或所述第三中央冷凝器，其顶部设有一冷却液入口，其底部设有一冷却液出口。

所述第一蒸汽增压泵、所述第二蒸汽增压泵、所述第三蒸汽增压泵、所述第四蒸汽增压泵及所述第五蒸汽增压泵分别设有一蒸汽入口。

本发明所述的用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，还包括一冷冻机，所述缓冲冷凝罐为一夹套式冷凝罐，包括一罐体及包覆在所述罐体外表面的冷却液夹层，所述冷却液夹层的冷却液入口通过一冷凝盘管连通至所述冷冻机，所述冷却液夹层的冷却液出口通过管道连通至所述冷冻机。

所述缓冲冷凝罐的进气口处设有一气动隔断阀，所述罗茨真空泵的进气口处设有一气动隔断阀，所述螺杆真空泵的进气口处设有一气动隔断阀，所述螺杆真空泵的出气口处设有一气动隔断阀。

所述第一中央冷凝器与所述第四蒸汽增压泵之间设有一气动隔断阀；所述第三中央冷凝器的出气口处设有一气动隔断阀。

本发明优点在于，提供一种蒸汽喷射泵与机械真空泵混合组成的真空系统，具有能源浪费少、粉尘污染少、不惧高温、能耗低等诸多优点。国内目前所用的真空冶炼炉（RH，VD，VOD等真空炉）绝大多数为蒸汽喷射泵时真空系统，都可以将其改造成本发明所述的真空系统，改造成本较低，改进效果明显，可以节省能源40%左右，大幅降低冶炼炉产生的粉尘对真空效果的不良影响。

附图说明

图1为本发明所述用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。应当理解，尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案拟阐述，而不是限制本发明的范围。

如图1所示，本发明涉及一种用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，包括第一蒸汽增压泵1、第二蒸汽增压泵2、第三蒸汽增压泵3以及第一中央冷凝器11；第一蒸汽增压泵1依次通过第二蒸汽增压泵2、第三蒸汽增压泵3连通至第一中央冷凝器11；还包括一缓冲冷凝罐21、一罗茨真空泵22以及一螺杆真空泵23；缓冲冷凝罐21的进气口连通至第一中央冷凝器11的出气口，缓冲冷凝罐21的出气口通过一真空分配管24连通至罗茨真空泵22的进气口；罗茨真空泵22的出气口连通至螺杆真空泵23的进气口；螺杆真空泵23的出气口连通至一系统排气口14。图中箭头表示气体流动方向。

在特种钢铁冶炼行业中，需要在转炉中对钢水进行真空脱气处理，即在一定真空条件下对钢水进行脱氧、脱氢、脱氮处理。在真空条件下，钢液中的碳元素与鼓入的氧气进行化学反应，生成一氧化碳和二氧化碳，钢液中的氢元素生成氢气，氮元素生成氮气，从钢液中渗出的一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气等气体，在真空机组的真空作用下被抽吸出去，从而脱除钢液中的氮，氢，碳等元素，提高了钢液的纯净度。例如，针对超低碳钢等特种钢采用的深脱碳处理模式，代表钢种为IF钢，也就是平常俗称的汽车板钢，其要求的钢种碳含量小于100PPm，其对C、N、O、S的含量都有非常严格的要求，其工艺特点是要求真空度高，达到65Pa以下；要求转炉钢水为带氧钢，带氧量控制在400～800ppm之间，碳含量小于0.05%，氮含量较低；处理时间长，脱碳时间大于15min，冶炼时间大于30min；对环流气体的控制较为严格。特殊处理主要是针对硅钢为主的一种处理方式，其实质是对深脱碳处理后的钢水进行Si,Al的合金化处理及钢水纯净化的处理。

本发明在工作中，第一蒸汽增压泵的进气口1连接至真空冶炼炉，本发明对真空冶炼炉进行抽真空处理，系统排气口14连接至另一尾气处理系统或烟囱，真空冶炼炉中的冶炼气体经由本发明处理后由此系统排气口14排出。真空冶炼炉内气压极低，接近真空，远低于外界的大气压，冶炼气体不可能直接排出，因此要多次增压处理才能排出。本发明采用三级蒸汽增压泵对尾气连续进行增压处理，然后再用连续两级机械真空泵继续对尾气进行增压处理，直到尾气压强高于外界大气压后才能排出。

冶炼气体可能包括少氢气、氮气、碳氧化合物（如一氧化碳、二氧化碳等）和氮氧化合物（如一氧化氮，二氧化氮等）等，冶炼气体温度极高，如果直接连接抽真空设备，很可能会导致抽真空设备损坏。此外，真空冶炼炉（RH，VD，VOD等真空炉）在吹氧脱碳时，会产生大量高热的铁渣混入到尾气中，蒸汽增压泵可以通过喷射蒸汽去除铁渣，并降低了高温气体对本发明的伤害。

本发明在工作中，真空冶炼炉排出冶炼气体依次进入第一蒸汽增压泵1、第二蒸汽增压泵2、第三蒸汽增压泵3。每一个蒸汽增压泵的蒸汽入口输入水蒸气，为进入本发明中的冶炼气体增大气压，蒸汽增压泵内的气体主要是氧气、氮气、水蒸气，一部分水蒸气形成的水雾以及上述冶炼气体，大量水蒸气可以有效降低冶炼气体的温度，高压水蒸气还可以促进冶炼气体快速流向抽真空设备。第一蒸汽增压泵1、第二蒸汽增压泵2、第三蒸汽增压泵3三级依次串联，可以进一步提高真空机组的抽气量和真空度。第一蒸汽增压泵1的进气口处真空度在50Pa左右，排气口处真空度在400pa左右；第二蒸汽增压泵2的进气口处真空度在400Pa左右，排气口处真空度在2kpa左右；第三蒸汽增压泵3的进气口处真空度在2kpa左右，排气口处真空度在8kpa左右；每一级蒸汽增压泵的进气口压力等于或高于前一级排气口处压力，保证每增加一级真空系统就提高了相应的真空度。

冶炼气体经由三级蒸汽增压泵的增压处理后，进入第一中央冷凝器11的气体压强会达到8kpa左右，同时携带大量水雾和过饱和水蒸气，这些水雾和水蒸气一旦进入机械真空泵，会严重影响机械真空泵的寿命，甚至导致机械真空泵损坏。第一中央冷凝器11顶部设有一冷却液入口15，其底部设有一冷却液出口16，利用冷却液（水）减低冶炼气体的温度。第一中央冷凝器11内部气体中大部分水蒸气冷凝成液态水留在第一中央冷凝器11底部，利用回水管集中排出，有效节省工作蒸汽的消耗量。本发明使用中央冷凝器的实质是用增加冷凝水的消耗来换取工作蒸汽量的节约，以低价的水来换取高价的蒸汽，使运行成本得以进一步降低。

经过第一中央冷凝器11的冶炼气体进入缓冲冷凝罐21，进一步减少水蒸气和水雾。缓冲冷凝罐21也可名为冷井，是一个夹套式冷凝罐，包括一罐体及包覆在所述罐体外表面的冷却液夹层，所述冷却液夹层的冷却液入口通过一冷凝盘管连通至冷冻机34，冷冻机34产生的循环冷冻水通过冷凝盘管流入至所述冷却液夹层，所述冷却液夹层的冷却液出口通过管道连通至冷冻机34，冷冻机34将完成热交换的水再次进行冷却处理，冷凝盘管增大了冷却液与缓冲冷凝罐21内气体的接触面积，可以使得缓冲冷凝罐21内气体快速降温。当饱和气体接触到冷却装置时，气体被进一步深冷，进一步降低饱和水气的分压，使得更多的水蒸气被冷凝出来形成液态水。在缓冲冷凝罐中，夹带冷凝液的气体通过特殊的分离装置，使得冷凝液通过重力方式与气体分离，在缓冲罐的底部被收集。冷冻水在缓冲罐的夹套中使其保持恒定的绝热低温，保证冷凝液不会再次吸收热量而变成水蒸气。

冶炼气体在缓冲冷凝罐21内进一步降低温度后变成过冷气体，经由真空分配管24、罗茨真空泵22、螺杆真空泵23从系统排气口14排出。由于机械泵在对气体进行压缩时，会产生热能，使得气体升温，提高了气体的分压，使得原有过冷的饱和气体变成了不饱和气体，则避免了冷凝液在机械泵中的形成和积累，同时过冷气体也起到了冷却机械泵的作用。

罗茨真空泵22是一种机械真空泵，在进气口处形成较高真空，压缩气体排出时既可以也直接排出，也可以利用下一级机械真空泵排出。本发明中，罗茨真空泵22的进气口真空压强在8kpa左右，排气口真空压强为25kpa，起到增压作用，提高了系统的抽气量和系统的真空度。

螺杆真空泵23也是一种机械真空泵，在气体入口处形成较高真空，压缩气体排出。干式螺杆真空泵能抽除含有大量水蒸汽及少量粉尘的气体场合，极限真空更高，消耗功率更低，具有节能，免维修等优点。本发明中，螺杆真空泵23进气口处真空压力在25kpa左右，系统排气口14处的气压高于正常大气压（101kpa），系统排气口14与其他尾气处理系统或者烟囱连接，以便排出冶炼气体。

本发明所述的用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，还包括一第二罗茨真空泵32以及一第二螺杆真空泵33；缓冲冷凝罐21的出气口通过真空分配管24连通至第二罗茨真空泵32的进气口；第二罗茨真空泵32的出气口连通至第二螺杆真空泵33的进气口；第二螺杆真空泵33的出气口连通至系统排气口14。这样就同时有了两组机械真空泵同时工作，工作人员可以根据不同的真空需求自由选择需要使用的泵组，两组机械真空泵也可以更好地确保真空冶炼炉的工作效果，即使有一组发生故障，也不会影响整个系统的使用。两组机械真空泵同时工作时，真空分配管31使得气体均匀分布到每一组真空泵中；冶炼气体在前一级的罗茨真空泵22、32压缩后，排出至第二级真空分配管，通过第二级真空分配管再分配至下一级螺杆真空泵23、33，进行进一步的压缩处理。

螺杆真空泵23和/或第二螺杆真空泵33可以用直排式气冷罗茨泵代替，罗茨真空泵23和/或第二罗茨真空泵33的出气口连通至直排式气冷罗茨泵的进气口；直排式气冷罗茨泵的出气口连通至系统排气口14。

本发明所述的用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，还包括第四蒸汽增压泵4、第五蒸汽增压泵5、第二中央冷凝器12及第三中央冷凝器13；第一中央冷凝器11通过第四蒸汽增压泵4连通至第二中央冷凝器12；第二中央冷凝器12通过第五蒸汽增压泵5连通至第三中央冷凝器13；第三中央冷凝器13的排气口连通至系统排气口14。每一蒸汽增压泵都设有一进气口、一出气口，每一中央冷凝器都设有一进气口、一排气口，相邻的两个部件连通过程中，上一级部件的出气口连通至下一级部件的进气口，其上下级关系是由系统内气体流动方向决定的，气体先流经的部件为上级部件。每一中央冷凝器内设有一冷却液循环系统，中央冷凝器顶部设有一冷却液入口，中央冷凝器底部设有一出水口，此处的冷却液一般采用冷水。第二中央冷凝器12及第三中央冷凝器13的工作原理与前述的第一中央冷凝器11相同。当机械真空泵，如罗茨真空泵22、螺杆真空泵23，发生损坏时，还可以启动第四蒸汽增压泵4、第五蒸汽增压泵5、第二中央冷凝器12及第三中央冷凝器13。此时，本发明的真空系统就变回了现有技术中常见的五级蒸气增压泵形式的真空系统。

缓冲冷凝罐21的进气口处设有一气动隔断阀211，罗茨真空泵22的进气口处设有一气动隔断阀221，螺杆真空泵23的进气口处设有一气动隔断阀231，螺杆真空泵23的出气口处设有一气动隔断阀232。第一中央冷凝器11与第四蒸汽增压泵4之间设有一气动隔断阀111；第三中央冷凝器13的出气口处设有一气动隔断阀131。工作人员可以操作各个气动隔断阀，根据需要选择气体流动的路径或控制整个系统的真空程度。

现有对钢水进行真空脱气装置大多采用蒸汽喷射泵组成的真空系统，若是将真空系统中全部的蒸汽喷射泵都替换成机械真空泵，投资成本较高，系统稳定性较差，而且转炉产生的余热蒸汽还将被浪费掉。若利用蒸汽的余热发电，则发电机将是一笔较高的成本，而且余热转化为电力的效率很低，对钢铁企业而言得不偿失。本发明将现有的蒸汽喷射泵真空系统中添加一部分机械真空泵，能同时兼容上述两种真空系统的优点，适于对现有钢铁行业中部分技术落后的真空冶炼炉及其抽真空系统进行设备升级，技术改造成本较低，可以节省能源40%左右，大幅降低冶炼炉产生的粉尘对真空效果的不良影响，达到节能减排的改造效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，包括第一蒸汽增压泵、第二蒸汽增压泵、第三蒸汽增压泵以及第一中央冷凝器；所述第一蒸汽增压泵依次通过所述第二蒸汽增压泵、所述第三蒸汽增压泵连通至所述第一中央冷凝器；其特征在于，还包括一缓冲冷凝罐、一罗茨真空泵以及一螺杆真空泵；所述缓冲冷凝罐的进气口连通至所述第一中央冷凝器的出气口，所述缓冲冷凝罐的出气口通过一真空分配管连通至所述罗茨真空泵的进气口；所述罗茨真空泵的出气口连通至所述螺杆真空泵的进气口；所述螺杆真空泵的出气口连通至一系统排气口；

还包括第四蒸汽增压泵、第五蒸汽增压泵、第二中央冷凝器及第三中央冷凝器；所述第一中央冷凝器通过所述第四蒸汽增压泵连通至所述第二中央冷凝器；所述第二中央冷凝器通过所述第五蒸汽增压泵连通至所述第三中央冷凝器；所述第三中央冷凝器的排气口连通至所述系统排气口；

还包括一冷冻机，所述缓冲冷凝罐为一夹套式冷凝罐，包括一罐体及包覆在所述罐体外表面的冷却液夹层，所述冷却液夹层的冷却液入口通过一冷凝盘管连通至所述冷冻机，所述冷却液夹层的冷却液出口通过管道连通至所述冷冻机；

所述缓冲冷凝罐的进气口处设有一气动隔断阀，所述罗茨真空泵的进气口处设有一气动隔断阀，所述螺杆真空泵的进气口处设有一气动隔断阀，所述螺杆真空泵的出气口处设有一气动隔断阀。

2.如权利要求1所述的用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，其特征在于，还包括一第二罗茨真空泵以及一第二螺杆真空泵；所述缓冲冷凝罐的出气口通过所述真空分配管连通至所述第二罗茨真空泵的进气口；所述第二罗茨真空泵的出气口连通至所述第二螺杆真空泵的进气口；所述第二螺杆真空泵的出气口连通至所述系统排气口。

3.如权利要求2所述的用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，其特征在于，所述螺杆真空泵和/或所述第二螺杆真空泵可以用一直排式气冷罗茨泵代替，所述罗茨真空泵和/或所述第二罗茨真空泵的出气口连通至所述直排式气冷罗茨泵的进气口；所述直排式气冷罗茨泵的出气口连通至所述系统排气口。

4.如权利要求1所述的用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，其特征在于，所述第一中央冷凝器、所述第二中央冷凝器或所述第三中央冷凝器，其顶部设有一冷却液入口，其底部设有一冷却液出口。

5.如权利要求1所述的用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，其特征在于，所述第一蒸汽增压泵、所述第二蒸汽增压泵、所述第三蒸汽增压泵、所述第四蒸汽增压泵及所述第五蒸汽增压泵分别设有一蒸汽入口。

6.如权利要求1所述的用于真空脱气冶炼炉的抽真空系统，其特征在于，所述第一中央冷凝器与所述第四蒸汽增压泵之间设有一气动隔断阀；所述第三中央冷凝器的出气口处设有一气动隔断阀。