CN108424996A - 用于rh真空精炼的全干式机械真空泵抽气过程的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于RH真空精炼的全干式机械真空泵抽气过程的仿真方法，包括钢液碳脱氧、氧脱碳或脱气反应产生的气体量模型、各级真空泵工作效率的计算模型、各级真空泵抽气能力确定的计算模型、机械真空泵的控制方法和控制参数、仿真计算方法、各种中间过程参数和计算结果的输出等。本发明可实现在全干式机械真空泵系统设计阶段，较准确预测任意时刻系统抽气能力、真空室内真空度、真空室内气体量、脱碳/脱气速率、钢液中碳含量/氢含量、总运行功率、总用电量、各级真空泵的运行效率、运行功率等，极大的方便系统的设计和研究，也可用于实际生产的监测。

Description

用于RH真空精炼的全干式机械真空泵抽气过程的仿真方法

技术领域

本发明涉及冶金行业炼钢真空精炼领域，更具体地说，涉及一种用于RH真空精炼的全干式机械真空泵抽气过程的仿真方法。

背景技术

真空泵是RH真空精炼装置的核心组成部分，由于出色的低运行成本、节能环保效果，采用全干式机械真空泵的RH真空精炼装置数量正在迅速增长，技术水平也在不断发展提高，显示出全面替代传统广泛应用的蒸汽喷射泵的势头。

一般的全干式机械真空泵集成商不熟悉RH真空处理工艺，最终用户也只能提供简化过的若干关键工作真空度下碳脱氧、氧脱碳或脱气反应产生的气体量。而新上RH真空处理装置的最终用户提供的关键工作真空度也不一定是较优的选择。这些因素都影响全干式机械真空泵系统方案的准确性，造成最终用户投资的浪费，或者不能满足RH真空处理工艺要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于RH真空精炼的全干式机械真空泵抽气过程的仿真方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于RH真空精炼的全干式机械真空泵抽气过程的仿真方法，包括以下步骤：

S1、将各级机械真空泵的零流量压缩比K0与排气侧真空度的关系曲线，拟合为多段直线，根据理论抽气量、排气侧真空度、压缩比，得到各级机械真空泵的容积效率；

S2、根据各级机械真空泵的设备选型和数量、运行模式和工作真空度区间、各种恒定负载和反应气体发生量、各级机械真空泵在工作真空度区间时的容积效率，计算得到各级机械真空泵有效抽气能力；

S3、全干式机械真空泵系统采用步进式控制方法，将各级机械真空泵的工作真空度划分为若干区间，不同区间通过变频器控制各级机械真空泵采用不同的工作频率，同时设定安全扭矩保护；

S4、通过逐秒计算得到任意时刻的系统抽气能力、真空室内真空度、真空室内气体量、脱碳/脱气速率、钢液中碳含量/氢含量、总运行功率、总用电量、各级真空泵的运行效率、运行功率。

上述方案中，所述脱氧、脱碳或脱气反应产生的气体负载是实时的。

上述方案中，所述各级机械真空泵的容积效率是实时的。

实施本发明的用于RH真空精炼的全干式机械真空泵抽气过程的仿真方法，具有以下有益效果：

本发明仿真计算方法囊括了了整个RH真空精炼过程中实时的钢液碳脱氧、氧脱碳或脱气反应产生的气体量，实时的各级机械真空泵的容积效率，优化的机械真空泵的控制方法和控制参数，考虑因素全面，计算结果更准确，能极大的方便全干式机械真空泵系统的设计和研究，也可用于实际生产的监测。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1示出了根据本发明的示例性实施例的一个非模块化系统设计方案；

图2示出了根据本发明的示例性实施例的各种处理模式下真空室气体发生量图示；

图3示出了根据本发明的示例性实施例的各种处理模式下真空室内真空度图示；

图4示出了根据本发明的示例性实施例的某型号罗茨真空泵的操作特性和全速运行工作范围图示；

图5示出了根据本发明的示例性实施例的仿真计算方法程序流程；

图6示出了根据本发明的示例性实施例的实时中间过程参数显示界面；

图7示出了根据本发明的示例性实施例的不停秒过程参数显示界面。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

全干式机械真空泵是采用干式机械泵组成的系统，不需要蒸汽和大量的冷却水，运行成本极低。用于RH真空处理装置的全干式机械真空泵系统，需满足以下功能：

1)能够克服真空室插入管提升气、系统气体泄漏、顶吹氧气和高温摄像头保护气等负载；

2)在脱气或脱碳反应开始时，快速抽空到指定压力区间；

3)在20～15kPa阶段，吹氧的大气体负载条件下，维持恒定的体积流量值；

4)在30～1kPa阶段，根据碳脱氧、氧脱碳或脱气反应的程度不同来控制抽真空速度；

5)达到高真空(≤133Pa或≤67Pa)至处理结束。

全干式机械真空泵系统的组合模式经历了由模块化到非模块化的过程，同时也由3级串联发展成4级串联(前级采用螺杆泵，其它均采用罗茨泵)。非模块化如图1所示，是指系统包括3级或4级串联的泵组，每级泵组有并联的N台罗茨泵或螺杆泵组成。其优点是每级泵数量设置灵活，不同级之间因有汇总管作为缓冲而易于协同运行，中压阶段含尘废气可经旁路绕过高真空罗茨泵，备用泵数量较少，任意一台泵下线不影响其它泵，缺点是占地面积略大。采用4级串联泵系统，每级泵之间的压缩比得以优化，从而提高系统的效率并降低发热量，泵的效率值达到90％以上。而效率值的提升可以延长泵的使用寿命，减少泵的使用量，并减少客户的一次性投资以及运行成本。目前国内多个钢厂的200t或300t RH真空处理装置正是采用此种方案，已安全稳定运行多年。本发明的对象也正是非模块化的4级串联方案。

RH真空处理装置的冶金功能非常全面，由此衍生出3种主要的操作模式：1)轻处理模式，也就是真空碳脱氧；2)深真空脱氢模式；3)深真空脱碳模式。另外加上2种辅助的操作模式：4)预抽模式，用于在生产间隙保持真空主切断阀阀后空间的较高真空，以减少处理时的周期；5)吹氧模式，用于当钢液中用于脱碳的氧含量不足时补入氧气。以上5种操作模式中，预抽模式仅需考虑系统气体泄漏量，而其它4种操作模式还需考虑真空室插入管提升气、高温摄像头保护气、顶吹氧枪保护气或顶吹氧气等较恒定的负载，以及随时变化的脱氧、脱碳或脱气反应产生的气体负载。

a、化学反应产生的气体发生量

较准确的真空室内碳脱氧、氧脱碳或脱气反应产生的气体量与当前真空度和当前各成份含量相关，是一个动态的参数，可以用经验公式(1)和公式(2)来估算碳脱氧、氧脱碳或脱气反应速率后，再转化成反应的气体发生量。

式中：C_t和H_t—当前时刻钢液中C和H的含量，ppm；C_eq和H_eq—当前真空度下钢液中C和H的平衡含量，ppm；k_c和k_h—脱碳和脱气反应的表观速度常数，min^-1。

虽然还有更加精确的碳脱氧、氧脱碳和脱气反应模型，但都过于复杂，难以整合到全干式机械真空泵抽气过程仿真计算方法。有了化学反应产生的气体发生量一般表达式后，下面再分别描述不同操作模式下，脱碳和脱气反应的表观速度常数如何取值，以及其它较恒定负载的确定。

b、轻处理模式下的气体发生量

轻处理模式是在中真空(如6～8kPa)条件下，利用钢液中含量较多的碳去除钢液中含量较少的氧，影响化学反应速度的主要因素是钢液中氧的扩散，氧的传质是反应速度的限制性环节。出于简化的目的，此处仍以脱碳反应式来表达，根据经验，公式(1)中kc取值～0.2。由于轻处理模式并不需要非常强的搅拌，因此真空室插入管提升气按最大量的75％计算。严格来说，真空室插入管提升气量在真空精炼的不同阶段也是不同的，前期气量较小，利于抽真空的进行，后期气量较大，促进冶金反应的进行或者成份、温度的均匀化，此处简化为恒定负载。恒定负载还包括系统气体泄漏量、高温摄像头保护气和顶吹氧枪保护气等。

c、深真空脱氢模式下的气体发生量

深真空脱氢模式是在高真空条件(如≤133Pa)下，去除钢液中的氢，影响化学反应速度的主要因素是钢液中氢的扩散，氢的传质是反应速度的限制性环节。根据经验，公式(2)中kh取值～0.2。由于深真空脱氢模式的后期需要非常强的搅拌，因此真空室插入管提升气按最大量的90％计算。其它系统气体泄漏量、高温摄像头保护气和顶吹氧枪保护气等为恒定负载。

d、深真空脱碳模式下的气体发生量

深真空脱碳模式是在高真空条件(如≤67Pa)下，利用钢液中含量较多的氧去除钢液中含量较少的碳，影响化学反应速度的主要因素是钢液中碳的扩散，碳的传质是反应速度的限制性环节。根据经验，公式(1)中kc取值0.28～0.35。由于深真空脱碳模式的后期需要非常强的搅拌，因此真空室插入管提升气按最大量的90％计算。其它系统气体泄漏量、高温摄像头保护气和顶吹氧枪保护气等为恒定负载。

e、吹氧模式下的气体发生量

当钢液中用于脱碳的氧含量不足时需要使用顶吹氧枪补入氧气，一般是在粗真空条件(如20～15kPa)下尽早补入，可大大提高脱碳反应的表观速度常数。根据经验，公式(1)中kc取值～0.35。由于吹氧模式只是一个短时、辅助的操作模式，并处于真空精炼的前期，因此真空室插入管提升气按最大量的60％计算；吹入氧气的利用率～55％，CO二次燃烧率～30％。其它系统气体泄漏量和高温摄像头保护气等为恒定负载。

f、气体发生量模型计算结果

以300tRH真空处理装置及相应配置的机械真空泵为例，轻处理模式、深真空脱碳模式、深真空脱氢模式下的各恒定负载加各种反应产生的气体量如图2所示，与此相应的真空室内真空度如图3所示。我们所获得的不同RH真空精炼工艺下的较准确动态气体发生量为后续仿真计算打下了坚实基础。

4各级真空泵工作效率的计算模型

罗茨真空泵的转子与壳体之间是有间隙的，因此通过间隙从排气侧向吸气侧存在返流，真空度越高、压差越小，间隙返流就越小。另外由于罗茨真空泵的转子旋转非常快，没能把吸入的气体分子全部排入排气侧，而再次带入吸气侧，引起返流。由于上述两方面原因的存在，罗茨真空泵的有效抽气量总是小于理论抽气量，但可以根据理论抽气量、排气侧真空度、压缩比，查罗茨真空泵操作特性图得到有效抽气量。图4是某型号罗茨真空泵的操作特性和全速运行工作范围，最上面的一条曲线就是零流量压缩比K0与排气侧真空度的关系曲线。

罗茨真空泵的有效抽气量S对理论抽气量S_th之比，定义为容积效率η。

式中：K_eff＝P₂/P₁，P2和P1分别是罗茨真空泵排气侧和吸气侧的真空度，mbar。

零流量压缩比K₀与排气侧真空度的关系曲线，可简化为多段直线，分别是排气侧真空度0.2～0.8mbar的正斜线段，0.8～2mbar的水平直线段，2～15mbar的负斜线段，15～100mbar的负斜线段。不同型号罗茨真空泵的零流量压缩比K₀与排气侧真空度的关系曲线是不同的，应分别计算。螺杆真空泵的容积效率接近于1，可取值0.99。

各级真空泵在不同RH真空精炼工艺下的作用不同，各种操作模式的工作真空度也不同，因此各级真空泵的数量是按照不同操作模式下所需数量的最大值来考虑的。不同操作模式下各级真空泵的抽气能力，是指设定工作真空度下的抽气能力，需考虑真空精炼工艺要求，以及各级真空泵之间压缩比的合理分配，是综合考虑的结果，也是全干式机械真空泵系统的核心参数。工作真空度确定后，结合系统气体泄漏量、真空室插入管提升气、高温摄像头保护气、顶吹氧枪保护气或顶吹氧气等较恒定的负载，以及3.1项中得到的不同操作模式设定工作真空度下的碳脱氧、氧脱碳或脱气反应气体发生量，再考虑4项中得到的各级真空泵的有效抽气量，最终计算得到各级真空泵的数量，再考虑适当数量的备用泵。各级真空泵的最终数量还需满足碳脱氧、氧脱碳或脱气等工艺过程对时间和深度的要求，将在抽气过程仿真计算中予以修正。

全干式机械真空泵系统集成关键技术之一就是机械真空泵的控制方法。本发明文针对全干式机械真空泵的非模块化4级串联方案采用的是步进式控制方法，是通过变频器控制各级机械真空泵在要求的频率下工作，同时设定安全扭矩保护，然后将各级真空泵的工作真空度划分为若干个区间，不同区间采用不同的工作频率。这里要说明的是，不同操作模式下，各级真空泵的工作真空度划分区间，以及采用的工作频率都是独立设置的。

机械真空泵的控制方法确定后，具体控制参数的设定成为关键，控制参数包括工作真空度区间的划分和工作频率的设定，以及一些安全方面的设定值，如超压报警值、超温报警值等。一套好的控制参数应满足在抽真空初期快速达到开始脱氧、脱碳或脱气反应所需真空度，在抽真空中期能控制各反应激烈程度，以及在抽真空末期能达到最终成份要求所需高真空度，并能使各级真空泵的运行更加平稳。由于我们可以用3.1项中的公式(1)、(2)得到整个真空精炼过程中的动态脱氧、脱碳或脱气反应气体发生量，所以我们可以在仿真计算中方便的调整这些控制参数，而不必等到热试时根据实际生产时的情况再调整。

本发明仿真计算方法根据上述全干式机械真空泵系统采用的非模块化4级串联方案、钢液碳脱氧、氧脱碳或脱气反应产生的气体量模型、各级真空泵工作效率的计算模型、各级真空泵抽气能力确定的计算模型、机械真空泵的控制方法和控制参数，使用微软的Visual Studio编写了抽气过程的仿真计算方法程序，可以直观的审查动态仿真过程和结果，也可以方便快捷的优化控制参数，即时得到修改后的结果。仿真计算方法程序流程图详见图5。各种操作模式并不是独立运行的，可以根据需要组合在一起，比如一个真实的深真空处理操作就是由预抽模式、可选的吹氧模式，再加上深真空脱碳(脱氢)模式组成的。

使用该仿真计算方法，可以得到系统抽气能力、真空室内真空度、真空室内气体量、脱碳/脱气速率、钢液中碳含量/氢含量、总运行功率、总用电量、各级真空泵的运行效率、运行功率等参数的仿真结果，用于判断全干式机械真空泵系统的设计是否合理。

本发明用于RH真空精炼的全干式机械真空泵抽气过程的仿真方法的各种中间过程参数和计算结果有三种显示方式：第一种是一秒一显示，可以看到实时的各种中间过程参数，用于调试参数或快速判断抽气过程状态，界面如图6所示；第二种是不停秒直接显示计算结果，以图表的型式直观显示各种过程参数随时间的变化曲线，用于向客户展示计算机仿真结果，界面如图7所示；第三种是将计算结果存储为数据文件，用Excel软件将多个数据文件合并，然后进行展示，用于对比不同方案的计算机仿真结果，界面如图2、3所示。

综上所示，本发明提供了一种用于RH真空精炼的全干式机械真空泵抽气过程的仿真方法，考虑因素全面，计算结果更准确，能极大的方便全干式机械真空泵系统的设计和研究，也可用于实际生产的监测。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种用于RH真空精炼的全干式机械真空泵抽气过程的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将各级机械真空泵的零流量压缩比K0与排气侧真空度的关系曲线，拟合为多段直线，根据理论抽气量、排气侧真空度、压缩比，得到各级机械真空泵的容积效率；

S2、根据各级机械真空泵的设备选型和数量、运行模式和工作真空度区间、各种恒定负载和反应气体发生量、各级机械真空泵在工作真空度区间时的容积效率，计算得到各级机械真空泵有效抽气能力；

S3、全干式机械真空泵系统采用步进式控制方法，将各级机械真空泵的工作真空度划分为若干区间，不同区间通过变频器控制各级机械真空泵采用不同的工作频率，同时设定安全扭矩保护；

S4、通过逐秒计算得到任意时刻的系统抽气能力、真空室内真空度、真空室内气体量、脱碳/脱气速率、钢液中碳含量/氢含量、总运行功率、总用电量、各级真空泵的运行效率、运行功率。

2.根据权利要求1所述的用于RH真空精炼的全干式机械真空泵抽气过程的仿真方法，其特征在于，所述脱氧、脱碳或脱气反应产生的气体负载是实时的。

3.根据权利要求1所述的用于RH真空精炼的全干式机械真空泵抽气过程的仿真方法，其特征在于，所述各级机械真空泵的容积效率是实时的。