Вакуумные насосные установки для дегаззации стали

ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

Обработка под вакуумом дает возможность создать технологические условия получения материалов с заданными свойствами или заданной чистоты для производства принципиально качественной продукции для критически важных применений, например:

- для производства труб магистральных газопроводов требуется сталь с низким содержанием азота для обеспечения работы в условиях перепада температуры в зимний и летний периоды;

- для производства кованных слитков и раскатных колец для энергетического машиностроения требуется сталь с предельно низким содержанием водорода;

- для производства особо качественной сварочной проволоки и полосы требуется сталь с особо строгими допусками по химическом составу и предельно низким содержанием неметаллических включений;

Удачной иллюстрацией о ценности вакуумных технологий может служить заключение к содержанию книги «Экономика вакуумной металлургии» И. Н. Иванов, Р. К. Вихрева. - Москва: Металлургия, 1989.:

«величина добавленной стоимости конечного продукта (металла) прошедшего вакуумную обработку не может быть рассчитана только на основании себестоимости исходных материалов и ресурсов, затраченных на вакуумную обработку, так как экономический эффект от применения полученных материалов многократно выше издержек на производство таких материалов.»

Укрупненная модель вакуумирования при процессе дегазации стали состоит из следующих этапов:

На этапе «0» производиться откачка остаточной атмосферы из вакуумного объема и понижение давления достаточного для начала протекания металлургических реакций. Подача аргона выполняется с момента подключения магистралей продувки. При понижении давления ниже 300-200 мбар необходимо внимательно следить за вскипанием шлака и использовать доступные регулировочные механизмы: расход аргона, дросселирование заслонки вакуумпровода или регулировку скорости откачки, в случае если используются механические насосы с частотно-регулируемым приводом. На этом этапе в расплаве идет усвоение шлакообразующих и интенсивное газовыделение. Для этого же этапа характерны процессы удаления серы из поверхностно активного слоя плавки и увеличения массопереноса азота из металла на поверхность. Для обеспечения активного усвоения добавок в поверхностном слое расход аргона необходимо поддерживать на уровне, не приводящем к выплескиваниям металла из ковша.

На этапе «1» выполняются задачи обезуглероживания, как с применением кислородной горелки, так и без нее. По мере разрастания «зеркала металла» по поверхности ковша расход аргона снижается, чтобы уменьшить вспенивание шлака и, тем самым, обеспечить минимальную толщину поверхностного слоя. К моменту завершения данного этапа, «зеркало металла» должно занимать наибольшую площадь по всей поверхности ковша и равномерно кипящим.

На этапе «2» достигаются условия для эффективного переноса азота и водорода из металла к поверхности на границе металл-газ. Для данной задачи важно обеспечить низкое (1 мбар и ниже) давление в вакуумной камере и высокую площадь контакта на границе металл-вакуум. В данном случае важно обеспечить выдержку металла на низком вакууме и расход аргона поддерживается на уровне, достаточном для активного перемешивания металла. Задача оператора добиться максимальной площади контакта «зеркала металла» с газовой фазой над поверхностью металла.

Этап «мягкой» продувки (этап «3») позволяет увеличить интенсивность обмена с газовой фазой за счет понижения давления до минимально возможного уровня. К данному моменту плавки эффективность механизмов удаления азота за счет химических реакций и интенсивного массопереноса практически исчерпана, удалять газообразный азот над поверхностью металла возможно при снижение давления за счет уменьшения количества вдуваемого аргона.

Вакуумная насосная состоит из современных механических вакуумных насосов, представляющих собой трехступенчатую систему с широкими возможностями контроля процесса вакуумирования и регулирования производительности установки, требуемой для процесса.

В соответствии с требуемым уровнем вакуума установка разбита на три ступени. Нумерация ступеней начинается от вакуумной камеры.

Принцип построения модуля одинаков и призван обеспечить условия для транспортирования газов в вакууме путем поддержания перепада давления от ступени к ступени.

Первая и вторая ступени по принципу действия представляют собой насосы Рутса. Насосы Рутса совершают работу по сжатию объема откачиваемых газов и обладают большой производительностью на вакууме. Насосы Рутса совершают работу по сжатию объема откачиваемых газов при встречном вращении роторов с лемнискатным профилем («восьмерка») и обладают большой производительностью на вакууме. Благодаря этому данный тип насосов еще получил распространенное название: вакуумный механический бустер.

Данные насосы применяются в качестве верхних ступеней ( первой и второй) при многоступенчатой системе откачки для обеспечения высокой производительности в диапазоне вакуума 10-1 – 10-4 мбара.

Насосы первой ступени обеспечивают глубокий вакуум в вакуумкамере, необходимый при процессе откачки. Насосы второй ступени несут основную нагрузку при работе в диапазоне давлений 5-150 мбар и является основной рабочей силой в процессе набора вакуума.

Третья ступень по принципу действия представляет собой винтовой вакуумный насос. Данный тип насоса может работать с атмосферного давления до рабочих давлений 1 мбар и ниже, обладая при этом практически постоянной и высокой скоростью откачки, что необходимо как при проведении процессов набора вакуума и достижения предельного давления.

При объединении указанных типов вакуумных насос в насосную установку, соблюдается правило согласования ступеней по производительности, чтобы добиться плавной характеристики общей быстроты откачки без провалов по давлению. Теоретически возможный коэффициент компрессии между ступенями составляет 1 к 10, что означает что номинальная производительность насоса второй ступени, может быть, в 10 раз выше производительности насоса третьей ступени, и также для насосов второй и первой ступеней.

Однако, для применений на установках, связанных с необходимостью откачивать большие объемы газа в короткий период времени, оптимальным коэффициентом компрессии являет 1 к 4...6.

Данная комбинация, позволяет надежно контролировать температуру оборудования, повышающуюся в результате совершения работы по сжатию газа в процессе работы и обеспечивать необходимую производительность в сочетании с высокой надежностью установки в целом.

Таким образом, в зависимости от общей требуемой производительности, в состав откачного модуля должны быть включены насосы с номинальной быстротой откачки 1500 м3/час - 7000 м3/час - 15500 м3/час

или

3000 м3/час - 12000 м3/час - 40000 м3/час,

для третьей, второй и первой ступеней соответственно. Таким образом, коэффициент компрессии не превышает 4,6.

Иллюстрация 3Д модель вакуумной насосной установки

Иллюстрация Фото собранной вакуумной насосной установки

Для эксплуатации вакуумной насосной установки требуется комплекс газочистки, состоящий из рукавного фильтра. Откачиваемый газ проходит объем фильтра снизу вверх и очищается на поверхности фильтровальных рукавов, закрепленных в плоскости рукавной плиты, которая конструктивно делит фильтр на камеры грязного и чистого газа. Эффективность улавливания пыли позволяет обеспечить содержание пыли на входе вакуумной насосной установки до 10-20мг/м3.

• Площадь фильтрования, ≥ ориентировочно 3 м2 на каждую тонну обрабатываемой стали;
• Перепад давлений, мм.рт.ст. — ≤0,05
• Расход азота, литров за плавку — 2000-2500
• Давление азота, атм.изб — 5-9 -
• Срок службы (рекомендуемая замена) рукавов, год — 1
• Материал рукавов — композиционный материал 400 гр.Ц.

- объемная пористость: от 50 до 65 %

- тонкость фильтрации: от 5 до 250 мкм

- допустимый перепад давления: 2,5 МПа

- предел прочности на растяжение: 20 МПа

- рабочая температура: до 400 ^оС

Регенерация рукавного фильтра производится автоматически после каждой плавки, с помощью азота под давлением. Порция газа импульсно попадает в трубчатую решетку и направляется соплом внутрь очищаемого рукава. За счет этого происходит встряхивание рукава и пыль опадает, на дне камеры грязного газа, откуда автоматически выгружается системой вакуумного пылеудаления.

Цикл регенерации проводится после каждой плавки и длится около 3-х минут. Количества импульсов за цикл 12-36. Параметры цикла регенерации настраиваются в процессе пуско-наладочных работ.

Регенерация рукавного фильтра производится автоматически после каждой плавки. Выгрузка пыли производится с после каждого цикла регенерации с помощью системы вакуумного пылеудаления. Складирование и утилизация выгруженной пыли является предметом проектирования при привязке технологического оборудования в цеху. По окончании регенерации производится повторное вакумуирование рукавного фильтра.

Контроль приборов фильтра и управление системой регенерации фильтра осуществляется системой АСУ и является частью оригинального алгоритма вакууматора.

Алгоритм управления комплексом и состав вакуумной насосной станции рассчитан на непрерывную эксплуатацию вакууматора и будет удовлетворять требованиям по логистике цеха и планам цеха по объему выплавляемой стали.

В основе алгоритма управления лежит управление электродвигателями ротационных машин с помощью частотного привода.

Выбран векторный способ управления механическими насосами, что позволяет управлять такими параметром технологии как, скорость набора вакуума на стадии кипения металла и эффективно проводить перемешивание металла аргоном. При этом частотное регулирование привода обеспечивает надежность эксплуатации механического оборудования.

Управляемость системой обеспечивается автоматически за счет интеграции электроприводов насосов и контрольно-измерительной аппаратуры в единую информационную сеть, работающую по заданному алгоритму. Благодаря этому, система четко отслеживает все события плавки и гарантирует защиту оборудования от возникновения аварийных ситуаций, таких как: перегрев оборудования, выплескивание металла в результате кипения и прочее.

Контроль и управление процессом производится с операторских станций. С помощью средств визуализации реализуются следующие функции:

• - отображение параметров технологического процесса;
• - ввод необходимых технологических параметров;
• - управление механизмами установки;
• - технологические, предупредительные и аварийные сообщения;
• - протоколирование и архивирование технологических параметров, действий оператора, последовательности технологического цикла, предупредительных и аварийных сообщений.

На иллюстрации ниже представлен базовый вариант экрана управления откачной системой. Окончательный вариант визуализации системы управления является результатом инжиниринговых и проектных работ.

Иллюстрация. Базисный вариант экрана визуализации системы управления откачным модулем.

Локальный пульт управления позволит выполнить цикл вакуумирования в полуавтоматическом режиме (без учета сигналов и органов управления вакуумной крышкой), включая операции:

• Проверка готовности и предварительный прогрев насосов.
• Предварительная откачка рукавного фильтра
• Полный цикл вакуумирования VD-VOD процессов.
• Аварийное отключение.
• Регенерация комплекса газоочистки
• Тестовые и наладочные испытания.
• Визуализация процесса.

При этом процесс наглядно отображается на устройстве HMI. Происходит динамическое обновление экрана. Такое обновление основано на переходах процесса из одного состояния в другое. Реализуемые с помощью локального пульта с HMI функции:

• Управление процессом со стороны оператора. Оператор управляет процессом, используя графический интерфейс пользователя. Например, оператор может задать эталонные значения для управляемых элементов или включить двигатель или открыть клапан.
• Отображение сообщений. Критические состояния процесса автоматически инициируют сообщения (alarm), например, при превышении уставки для определенного параметра;
• Архивирование значений процесса или сообщений. Система HMI архивирует сообщения и значения процесса. Эта функция позволяет архивировать последовательности значений процесса, регистрируя тем самым изменения в процессе, а впоследствии извлекать и анализировать эти данные процесса производства;
• Регистрация значений процесса и сообщений для формирования отчетов. Система HMI регистрирует данные для дальнейшего формирования отчётов по команде оператора. Эта функция позволяет распечатывать данные производства, например, в конце смены.