【摘 要】机械真空技术因其即开即得、可精确控制、运行可靠、节能环保，正在逐步成为大型真空脱气系统的首选。介绍了宝钢特钢公司以合同能源管理模式实施机械真空节能改造，用机械真空泵替代原来蒸汽喷射泵的应用情况及应用效果。
【关键词】VD炉；机械真空泵；蒸汽喷射泵
1 前言
本文所述的机械真空技术是指钢水真空循环脱气工艺干式（机械）真空系统应用技术，近十几年来在国内外各大钢厂得到越来越多应用，用以替代传统广泛应用的蒸汽喷射式真空泵。该技术采用体积流量的传输方式（罗茨泵＋螺杆泵）产生真空将废气排出系统。相比传统的蒸汽喷射泵，可节能90%以上，在2012年被国家发展和改革委员会纳入《国家重点节能技术推广目录（第5批）》，在全国范围内重点推广。
宝钢特钢有限公司是宝钢集团的全资子公司，专门从事高温合金、钛合金等特种材料的生产，其炼钢产线采用的炉外精炼真空工艺即VD法，由燃气锅炉房提供蒸汽，使用多级蒸汽喷射泵、同时配套水处理系统来处理含尘污水和冷却热水。由于蒸汽通过锅炉燃烧天然气生产供应，相比传统钢铁企业利用余热生产蒸汽，成本极高。为降低炼钢抽真空成本，提高产品竞争力，宝钢特钢从2011年起关注跟踪机械真空技术的发展应用，经过一年多的技术调研、交流和实地考察，于2013年决定以合同能源管理模式实施炼钢产线VD炉真空脱气系统的机械真空节能改造。
本文着重介绍宝钢特钢炼钢产线VD炉实施机械真空节能改造，用机械真空泵替代原来蒸汽喷射泵的应用情况。
2 机械真空技术应用情况
2.1技术调研情况
2.1.1干式机械真空泵系统和传统蒸汽喷射泵系统的比较
2.1.1.1工作原理
蒸汽喷射泵是根据质量传输的工作原理，由动力蒸汽通过拉瓦尔喷嘴喷射产生低压区，该低压区将工艺废气吸入喷射泵，推动混合气体前行。
干式机械泵真空系统采用体积流量的传输方式（罗茨泵＋螺杆泵）产生真空将废气排出系统。
2.1.1.2 技术性能比较[1]
（1）节能减排
机械效率决定了干式机械泵真空系统与蒸汽喷射泵系统相比具有较高的效率，目前国内干式机械泵真空系统市场中承诺的节能效果可达90%以上。
干式机械泵的运行既不依赖于水也不产生水的污染。因此不需要蒸汽锅炉、蒸汽输送管路，以及相应的设备、场地投资和相关的人工费用。由于没有污水产生，也不需要污水处理系统，与蒸汽喷射泵系统相比，干式机械泵系统的运行噪音非常低。
（2）生产运行
机械泵由于不需要锅炉、水处理等配套设施，仅消耗电能，故相比蒸汽泵其运行成本可降低90%以上。
机械泵可以通过变频器控制泵的运行速度，可实现脱气工艺过程的精确控制，保证在所有压力范围的压力设定点稳定的工作性能，并可以实现真正的自动操作。
机械泵的体积流量不受气体的密度（压力）的影响，而蒸汽泵的质量流量随气体的密度（压力）变化而变化，可实现在脱气工艺各压力区间（阶段）工作稳定，脱气效果不会随真空度降低而降低。
（3）设备维护
机械泵由于系统配套设备少、易耗件少，故相比蒸汽泵其系统维护量小，仅需每年更换机械泵油和定期更换过滤器袋，使得系统和设备的使用率高。
机械泵配套过滤器下方有干式粉尘收集罐，可实现粉尘自动清扫，而无需用水清理粉尘并配套水处理站。
（4）性能提升
干式机械泵真空系统产生的真空度（曲线）是精确和可复制的。
长时间和稳定的真空条件，可以适用于所有金属冶炼的所有反应和过程。
2.1.2国内外干式机械真空系统的供应商及其技术应用情况
2.1.2.1国内外干式机械真空系统的供应商
全球目前约有40套左右的真空脱气系统采用了干式机械真空泵，在德国Lech-Stahlwerke GmbH工厂有一台由MTAG公司设计制造的90 t VD真空系统，已经稳定运行了9年且无大修记录。
国外主要供应商：
（1）瑞士MTAG，截至2011年一共有VD，VOD投产业绩14台；
（2）罗马尼亚阿德莱姆Adrem，约有10台VD业绩。
国内主要供应商：
（1）重庆钢铁公司设计院（购买阿德莱姆Adrem技术）；
（2）阿德莱姆Adrem包头；
（3）杭州西湖真空所；
（4）上海宽量节能（联合瑞士MTAG进行合同能源管理模式）。
2.1.2.2干式机械真空系统的技术比较[2]
任何一个机械真空脱气系统，其真空罐内最终的真空度要求（通常为67 Pa）与大气压之间的压差为真空脱气系统为一恒定值；机械真空泵系统所要产生的总压缩比也为恒定值。因此，机械真空泵系统所采用的泵级数越多，每级泵的工作负荷越小、所需的压缩比越小，即泵本身和气体产生的温升越小。反之，机械泵系统的泵级越小，其每级泵所需的压缩比就越高，其系统内工艺废气产生温升就越大。目前干式机械真空系统的技术主要有两种，其技术特点见表1。
表1 干式机械真空系统的技术比较
2.1.3国内干式机械真空技术应用案例
（1）重钢210 t RH干式机械泵真空脱气系统
重钢210 t RH干式机械泵真空脱气系统2010 年6月建成后调试周期经历了将近2年。期间发生过多次因为外方设计的过滤器不合理，过滤粉尘不达标造成泵组损坏，泵组负荷过高超温停机或损坏的事故。虽然通过修改过滤器结构，增加备用泵组，加强冷却等改进通过了验收，但是整个泵组系统多达76台泵，而且需要安装在有大功率空调制冷系统的泵房内。表明尽管已经有了水冷系统但是其温度控制始终是一个比较大的问题。
（2）包钢120 t VD干式机械泵真空脱气系统
由罗马尼亚阿德莱姆Adrem设计并制造。调试周期用了10个月。期间主要发生的问题是，在工艺规定的时间内达不到规定的真空度、泵组的超温报警等。后通过增加辅助泵机，同时增加备用泵机的办法解决。
2.2技术应用情况
2.2.1宝钢特钢设备现状
对于特种钢的生产，必须采用炉外精炼工艺，如真空脱气（VD）或真空吹氧脱碳（VOD）工艺来减少钢中的杂质。在真空脱气（VD）工艺中，在压力低于100 Pa真空度状态下，降低熔钢中溶解的气体（主要是氢气），以提高钢材的强度和耐腐蚀性。
宝钢特钢作为宝钢集团的特钢生产基地，其炼钢产线现有VD炉2台，由燃气锅炉房供应蒸汽，使用多级蒸汽喷射泵、同时配套水处理系统。其年设计能力41.1万t。
2.2.2技术方案选择
宝钢特钢在2011年11月首次邀请外方专家介绍机械真空泵技术，其后一年多时间内，多次与瑞士MTAG公司的外方技术专家就炼钢VD炉的干式真空系统改造的可行性进行技术交流，并赶赴重钢、包钢等国内应用现场进行实地考察。于2013年1月，经公司总经理书记办公会议决策，决定采用瑞士MTAG公司的技术，以合同能源管理模式，实施干式机械真空节能改造。
根据宝钢特钢炼钢VD炉的生产工况条件，量身设计一套机械真空系统，按4级16台真空泵设计，可供61#、62#两台VD炉共用，设计能力为28万t/年。拆除原有2台蒸汽喷射泵的其中1台，保留1台，以备同步抽气使用。所有工艺参数均可达到或优于原系统。
3 机械真空技术应用效果
3.1建设历程
宝钢特钢炼钢VD炉机械真空节能改造从签订正式合同起，历时9个月完成设计、设备采购、制作、土建施工以及设备安装，又历时3个月先后完成机械真空泵系统的冷态调试验收和热态调试验收，于2014年4月正式投运，投运至今1年多的时间内设备运行稳定，工艺参数完全满足炼钢VD炉生产工艺要求。在节能验收期内，相比原来的蒸汽泵系统节能率高达97%以上。
3.2冷态调试结果
宝钢特钢机械真空系统包括由罗茨泵和螺杆泵组成的真空泵组、过滤除尘装置和公辅系统等，按4 级16台真空泵设计，其中第一级9台罗茨泵，第二级2台罗茨泵，第三级1台罗茨泵，第四级4台螺杆泵。在冷态调试时，对整个机械真空系统的各部件设备进行性能调试，其中从真空罐至机械泵组的系统泄漏率仅为9 kg/h左右。无负载情况下，从大气压抽至67 Pa的时间仅为280 s左右，极限真空度可达0.3 hPa。
3.3热态调试结果
热态调试时，在宝钢特钢炼钢VD炉主要生产的GCr5、MnCr5系列、H13、17CrNiMo6和SW718H等五大类钢种中各考核3个炉号，对机械泵抽气开始至真空度≤67 Pa的时间、极限真空度以及脱氢、氮、氧能力进行测试。经测试，所有的性能指标均达到设计要求，特别是脱氢在实际真空处理后达到了超预期的效果，小于0.5×10-6。
3.4节能效果
宝钢特钢原来蒸汽泵系统使用的蒸汽是由燃气锅炉生产供应，其工作时需要过热蒸汽，通过蒸汽的过热度来实现真空脱气，故在其生产前需要通过锅炉燃烧将蒸汽压力提高至1.0mPa左右。虽然燃气锅炉房距离炼钢VD炉生产现场不足200m，但通过蒸汽管道将蒸汽从锅炉房送至VD炉依然存在较大的热损失，在VD炉生产时的蒸汽压力仅为0.7～0.8mPa左右。而蒸汽泵利用蒸汽过热度真空脱气后，蒸汽乏汽则大量放散无法利用，所以整个蒸汽泵系统能源利用效率较低。另外，蒸汽泵系统还产生大量的充满粉尘的废水，此种废水需要进行冷却处理，故需要配套循环冷轧水处理系统，配置水泵、风机进行强制循环冷却，需要消耗大量的电能、循环水的补充新水以及水处理设施的药剂和运维费用，所以蒸汽泵系统的使用成本很高。特别值得提出的是：蒸汽喷射泵要求定期停产，清理喷射泵内的粉尘沉积层，势必影响生产，会带来成本的增加和生产能力的降低。而且，蒸汽喷射泵粉尘需要在热井中沉淀，但这种回收水无法再变成无粉尘水，这种有腐蚀作用的带有粉尘颗粒的水流经管道和阀门，时间久了就容易损坏管道而导致漏水。
机械真空泵系统仅需要拖动机械真空泵组运转的电能，除尘系统吹扫用的压缩空气，以及仪表用的氮气等。其没有蒸汽输送以及放散损失，也没有配套水处理设施强制循环冷却所需的各类消耗，故相比蒸汽泵系统，其能源利用效率极高，能源使用成本也极低。在节能验收期间，共抽气269炉，抽气钢产量11415 t，消耗电27209 kW·h，消耗压缩空气8320m3，消耗氮气3168m3，能耗共10.31 tce，实际工序能耗0.90 kgce/t，节能率高达97%以上，吨钢能源成本仅为1.9 元/t，年经济效益可达1200余万元。
4 结论
宝钢特钢以合同能源管理模式实施机械真空节能改造，取得了良好的节能效果，有效降低了能源使用成本，提高了产品竞争力，也用实践证明机械真空技术节能降本优势明显，是一项革命性的节能新技术，且在技术性能上随着机械泵大型化及变频技术的发展应用，可实现真空度精确控制，设备维护量小，可随时启停，特别是在钢水脱氢方面明显优于蒸汽喷射泵。
