VD是煉鋼廠真空脫氣(vacuum degass)的簡(jiǎn)稱(chēng)，煉鋼廠真空脫氣作為管線(xiàn)鋼、油罐鋼為代表的品種鋼生產(chǎn)的 重要工藝手段，越來(lái)越受到冶金企業(yè)的關(guān)注。截至2006年，120t規(guī)模VD爐在南京鋼廠已創(chuàng)下連續(xù)生產(chǎn)十幾爐的國(guó)內(nèi)較高紀(jì)錄，鞍山鋼鐵集團(tuán)公司VD爐在業(yè)內(nèi)應(yīng)用水平也很高。濟(jì)鋼一度達(dá)到了每班連續(xù)生產(chǎn)15爐的目標(biāo)，以后很少有更高的報(bào)道。
煉鋼廠VD爐作為一套自動(dòng)化儀表高度集中的設(shè)備，95%的控制與檢測(cè)來(lái)自動(dòng)化儀表，51%的故障與煉鋼廠VD爐自動(dòng)化儀表有關(guān)。煉鋼廠VD爐除有自動(dòng)化、應(yīng)用電子特點(diǎn)外，還與機(jī)械、熱工專(zhuān)業(yè)相關(guān)。不少煉鋼廠儀表維護(hù)技術(shù)力量薄弱，新建VD設(shè)備沒(méi)有充分發(fā)揮作用。下面作者根據(jù)2001年接觸該設(shè)備以來(lái)多次處理停機(jī)故障的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合在鞍鋼培訓(xùn)和濟(jì)鋼現(xiàn)場(chǎng)中遇到的具體故障現(xiàn)象，從技術(shù)角度作一分析。
煉鋼廠VD爐自動(dòng)化儀表故障分析
◆ HMI顯示真空度不準(zhǔn)確。
圖1所示為VD脫氣的基本原理，這是VD設(shè)備最常見(jiàn)的設(shè)備構(gòu)成。該泵主要由多級(jí)主、輔泵體與三個(gè)冷凝器兩大部分組成。各級(jí)泵體均由拉瓦爾噴嘴、吸入室和擴(kuò)壓器組成。冷凝器由筒體、淋水板和冷卻水布水管組成。水、汽系統(tǒng)包括冷凝水、蒸汽、汽水分離器等。控制部分含PLC電氣控制系統(tǒng)和儀控系統(tǒng)。
圖1 煉鋼廠真空脫氣示意圖
順序啟動(dòng)多級(jí)主、輔噴射泵，通過(guò)拉瓦爾噴嘴將工作蒸汽的噴射速度提高到1.5馬赫以上，利用產(chǎn)生的壓差，使之與吸入口處的高溫爐氣混合成為混合氣體，在經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓器喉部后減速增壓進(jìn)入后級(jí)冷凝器內(nèi)，經(jīng)過(guò)后級(jí)冷凝器冷卻后，被冷凝物質(zhì)隨冷卻水一起由冷凝器底部的下水口流至熱井水封池內(nèi)，部分被抽爐氣由冷凝器上方的出口排至下一級(jí)噴射泵或排放大氣中，在這過(guò)程中產(chǎn)生的真空，使大氣和真空室之間形成壓力差，迫使鋼液中的氣體溢出，并在氬氣的攪拌作用下，底部鋼液中的氣體和雜質(zhì)不斷上浮，隨爐氣排出，完成鋼液的脫氣過(guò)程。由此可見(jiàn)，真空的形成和保持是實(shí)現(xiàn)鋼液脫氣的關(guān)鍵。
投產(chǎn)初期和生產(chǎn)穩(wěn)定一段時(shí)間后容易出現(xiàn)真空度下降速度的故障，此時(shí)首先要檢査測(cè)量真空度的兩個(gè)變送器，尤其是低壓YR-ER102-B1CABNN1NNC1 0-20kPa(0-200mbar)的單晶硅壓力變送器，可能會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榛覊m和鋼渣堵塞測(cè)壓管道的情況，使得無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量壓力。除此之外，重點(diǎn)檢査蒸汽噴射真空泵，如果出現(xiàn)真空泵噴嘴脫落或者偏離軸線(xiàn)，也會(huì)出現(xiàn)這類(lèi)問(wèn)題。
1、真空系統(tǒng)泄漏
所謂系統(tǒng)泄漏，也就是通常說(shuō)的外漏，一般發(fā)生在儀表閥門(mén)連接法蘭、閥芯上部，由于整個(gè)系統(tǒng)都是負(fù)壓，極難發(fā)現(xiàn)。在現(xiàn)場(chǎng)通常的處理辦法有兩個(gè)：一是點(diǎn)燃一支香煙，貼近可疑點(diǎn)，觀察煙霧的飄向；二就是用很薄的紙張貼在可疑點(diǎn)，如果吸附住了，說(shuō)明漏氣嚴(yán)重。
2、噴嘴接頭墊片內(nèi)漏氣
真空泵由三部分組成，噴嘴是較易出故障的部位，特別是連接噴嘴的法蘭，在高溫蒸汽沖洗下出現(xiàn)松動(dòng)的概率很高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，100-300爐就應(yīng)該做一下檢測(cè)，最遲在500爐時(shí)打開(kāi)，否則很快就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)泄。只有打開(kāi)并拆洗噴嘴，更換墊片并把緊法蘭，才可能避免漏氣。
3、系統(tǒng)真空管道法蘭、儀表取壓管焊縫、罐蓋處漏氣
由于VD真空脫氣系統(tǒng)，是將鋼包置于一個(gè)真空室里進(jìn)行脫氣處理，故系統(tǒng)的真空容積比較大，達(dá)250m3，左右(包括管道)。整個(gè)系統(tǒng)的法蘭密封點(diǎn)達(dá)100余處，其密封線(xiàn)的展開(kāi)總長(zhǎng)達(dá)180m左右。對(duì)于泄漏的處理辦法一是補(bǔ)焊、緊固螺栓或更換新墊；二是檢査是否存在下列情況：
①攝像鏡頭觀察窗密封條損壞；
②真空罐的硅橡膠密封條壓壞、破損、老化或密封條接口處出現(xiàn)間隙；
③焊縫處存在裂紋；
④喂絲后絲線(xiàn)處理不當(dāng)，使真空蓋與真空罐之間造成漏氣；
⑤真空儀表閥閥口損壞；
⑥真空管道充氣儀表閥或真空管道放水儀表閥處于開(kāi)啟狀態(tài)；
⑦流量計(jì)測(cè)量孔堵頭脫落或者堵塞；
⑧冷凝器的下水管及啟動(dòng)泵的排氣管出口沒(méi)有伸入到水封池內(nèi)等。
對(duì)VD真空罐系統(tǒng)泄漏，重點(diǎn)應(yīng)檢査動(dòng)態(tài)密封處，例如罐蓋密封圈的情況。
內(nèi)泄漏主要是：
①與主冷凝器連通的單向閥損壞(閥蓋脫落、偏移等)；
②噴嘴接頭處墊片損壞。
由于系統(tǒng)的管路較長(zhǎng)，設(shè)備欠修，有的設(shè)備接口處密封性能下降，單個(gè)設(shè)備存在裂紋，尤其是 逆止閥失靈造成的內(nèi)、外泄漏量增大，大大增加了排氣系統(tǒng)的排氣量，增加了各泵的排氣負(fù)荷。
◆系統(tǒng)抽氣時(shí)間太長(zhǎng)
VD設(shè)備通常可在6-8min把真空度降低到200Pa(2mbar)以下，只要不超過(guò)10min, 270mm厚度的連鑄機(jī)0.8-1.0m/min的生產(chǎn)節(jié)奏不會(huì)被打亂。但是在故障情況下，抽真空時(shí)間再長(zhǎng)也降不到200Pa以下，因?yàn)橐呀?jīng)利用蒸汽抽出來(lái)的真空與漏進(jìn)來(lái)的空氣達(dá)到平衡狀態(tài)，除非堵住漏洞，或者加大抽真空能力，否則真空永遠(yuǎn)達(dá)不到200Pa以下。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，釆集真空度的壓力變送器是比較關(guān)鍵的設(shè)備，有時(shí)因?yàn)榍懊娴倪^(guò)濾網(wǎng)堵塞會(huì)引起系統(tǒng)抽真空時(shí)間加長(zhǎng)，此故障比較隱蔽，需要清理積灰才能恢復(fù)。
1、真空泵噴射器的噴嘴堵塞與侵蝕
通常真空泵被設(shè)計(jì)成五級(jí)，所有蒸汽噴射泵是串聯(lián)工作，將煙氣逐級(jí)壓縮。噴嘴采用不銹鋼制成，加工精度很高，堵塞或侵蝕都會(huì)影響拉瓦爾噴嘴處蒸汽的膨脹效果，所以有必要定時(shí)清洗，并確認(rèn)蒸汽噴嘴在底座上的固定狀態(tài)，因?yàn)楸皿w與蒸汽噴嘴的同軸度有非常高的安裝精度要求。利用檢修停爐時(shí)間拆開(kāi)噴嘴清洗異物(如圖2)，必要時(shí)吹掃進(jìn)汽管道。
圖2 噴射泵噴嘴上附著異物示意圖
某級(jí)噴射器的噴嘴堵塞，功能退化或噴射器的擴(kuò)壓器喉部積灰太多，阻塞氣流通道。擴(kuò)壓器喉部積灰達(dá)到一定的厚度時(shí)，會(huì)改變擴(kuò)壓器的軸心線(xiàn)，此時(shí)拉瓦爾噴嘴噴出的高速蒸汽會(huì)在擴(kuò)壓器內(nèi)部產(chǎn)生一種紊流現(xiàn)象，從而造成泵的工作特性明顯下降，影響泵的抽氣性能。
2、冷凝器水嘴侵蝕與堵塞
在檢查電磁流量計(jì)等檢測(cè)儀表正常的基礎(chǔ)上，分析進(jìn)入冷凝器的水的流量變化。由于噴嘴和蒸汽的接頭處多為普碳鋼材質(zhì)，侵蝕現(xiàn)象一般較為嚴(yán)重，該處發(fā)生故障不僅較為隱蔽，而且將直接制約抽真空能力，因?yàn)槲蓙y的蒸汽氣流最終可能扼制抽真空的能力，但此時(shí)儀表處流量通常會(huì)變大。
水噴嘴是普通的Q235材質(zhì)，極易銹蝕，在長(zhǎng)期大水量沖刷下，容易脫落，結(jié)合儀表處流量的變化可以定期打開(kāi)人孔檢查噴嘴作為月計(jì)劃?rùn)z修的內(nèi)容，同時(shí)可以檢査是否有堵塞現(xiàn)象。對(duì)于使用年久、磨損腐蝕的元件，利用大修檢查、更換新件，必要時(shí)更換新泵。
3、真空系統(tǒng)積灰
真空系統(tǒng)積灰是一種常見(jiàn)的故障根源。在真空罐到真空主切斷儀表閥之間設(shè)有粉塵分離器，需要定期打開(kāi)清灰(100-300爐)放灰。同時(shí)真空泵體內(nèi)壁需要定期清理，否則內(nèi)壁積灰太多會(huì)影響真空度，如圖3所示。
圖3 VD爐真空管道內(nèi)的積灰
4、冷凝水溫度與水質(zhì)的影響。
系統(tǒng)中設(shè)置冷凝器的目的是凝縮除去來(lái)自前段的可凝性氣體，減少后段噴射泵的負(fù)荷，而冷凝器的作用原理是通過(guò)冷卻水與蒸汽間的相互對(duì)流，最終由冷卻水吸收蒸汽，并將蒸汽冷凝成為冷凝水，由冷凝器的下部排水口排放至水池內(nèi)。在冷凝蒸汽的同時(shí)，被分離出來(lái)的爐氣由排氣口排放至大氣或下一級(jí)泵內(nèi)。冷卻效果不好時(shí)，高溫?zé)煔庵械目赡詺怏w不能完全凝縮為液態(tài)，冷凝器中的煙氣含量大，會(huì)造成真空度下降。而冷卻水量、水溫、水質(zhì)及冷凝器的結(jié)垢 是影響冷卻效果的主要原因。
在系統(tǒng)其他條件一定的前提下，增大冷卻水與高溫混合煙氣的接觸面積，延長(zhǎng)冷卻水與高 溫混合煙氣的接觸時(shí)間是使它們充分進(jìn)行熱交換，獲得理想的冷卻效果的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。VD冷凝器的設(shè)計(jì)思想是采用冷卻水與高溫?zé)煔饨佑|面積大的篩板式冷卻水分配盤(pán)，使冷卻水通過(guò)盤(pán)上的鉆孔形成水滴和水柱向下流動(dòng)。但由于脫氣中高溫?zé)煔夂瑝m量高，分配盤(pán)表面結(jié)垢達(dá)10-20mm，φ8mm的鉆孔幾乎全部堵死，實(shí)際形成了溢流式分配盤(pán)的效果，冷凝器的功能下降，成為影響VD系統(tǒng)真空度下降的主要原因之一。
此時(shí)必須對(duì)冷凝器定期清洗以及進(jìn)行水質(zhì)凈化處理。冷凝器各噴淋孔是否暢通，直接關(guān)系到系統(tǒng)的冷卻效果，從而與抽真空的能力密切相關(guān)。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，冷凝器很容易被雜物堵塞及結(jié)垢。
冷凝器堵塞處理措施：
①在冷、熱水泵的進(jìn)口處設(shè)置防護(hù)網(wǎng)，擋住外界混入的顆粒較大雜物；
②增設(shè)水質(zhì)凈化處理設(shè)備，提高水質(zhì)，延緩系統(tǒng)內(nèi)部的積垢。
首先，應(yīng)該確保水的潔凈度，不含雜質(zhì)，不結(jié)垢，否則容易引起冷凝器冷凝孔不暢通，其次，在總水量基本確定的條件下，冷凝器內(nèi)過(guò)大的水流會(huì)扼制真空泵的能力，所以對(duì)各級(jí)冷凝 器的水分配至關(guān)重要。所以，各閥門(mén)的開(kāi)度大小在真空調(diào)試時(shí)就已經(jīng)確定下來(lái)，輕易不做改動(dòng)；若需要改動(dòng)，最好留有標(biāo)記，以便恢復(fù)原位。
冷卻水的溫度偏高，嚴(yán)重影響和制約了抽真空能力，使抽真空時(shí)間延長(zhǎng)甚至無(wú)法達(dá)到應(yīng)有的真空度。所以，定期檢修測(cè)溫儀表是不可缺少的步驟。
5、罐蓋攝像機(jī)氣幕流量過(guò)大
為及時(shí)了解生產(chǎn)中鋼水的狀態(tài)，一般在VD罐蓋上設(shè)計(jì)人工視窗和自動(dòng)攝像兩種觀察方 式。前者不往罐內(nèi)充入氣體，后者從保護(hù)鏡頭角度考慮，設(shè)有氣幕，會(huì)往罐內(nèi)充入一定數(shù)量的儀表壓縮空氣。一般是在生產(chǎn)降蓋時(shí)打開(kāi)，因罐蓋熱輻射很強(qiáng)，電磁閥根本無(wú)法長(zhǎng)期工作，此 處連鎖通常被置于常開(kāi)狀態(tài)。如果壓力和流量不合適，吹入罐內(nèi)的氣體會(huì)造成抽氣時(shí)間長(zhǎng)。
◆噴射器與管道出現(xiàn)異常喘振聲。
此類(lèi)問(wèn)題比較明顯，根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)遇到的現(xiàn)象整理分類(lèi)，出現(xiàn)這種故障應(yīng)該注意以下方面：
1、工作蒸汽壓力過(guò)低，致使冷凝水增多，出現(xiàn)類(lèi)似“水錘”現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)該提高蒸汽壓力。
2、冷卻水量不足或溫度過(guò)高，冷凝器工作不正常。這是一種常見(jiàn)的故障，一般此時(shí)要提高水壓到0.45MPa以上、降低水溫到30℃以下，效果較好，并適當(dāng)調(diào)節(jié)各級(jí)冷凝器進(jìn)水閥的開(kāi)度。
3、噴射器的擴(kuò)壓器喉部積灰太多，阻塞氣流通道。這種現(xiàn)象除了檢査清理沒(méi)有別的解決 辦法。
4、對(duì)使用年限長(zhǎng)久、磨損腐蝕的元件，應(yīng)利用大修檢査、更換新件，必要時(shí)更換新泵。
5、工作蒸汽含水量太大，加強(qiáng)汽水分離器和汽包的疏水、改善鍋爐操作，檢修或更換疏 水器。
6、工作蒸汽的溫度過(guò)高，蒸汽的過(guò)熱度大于20-30℃調(diào)節(jié)或檢修蒸汽降溫裝置，把過(guò)熱度控制在0-15℃范圍內(nèi)。
7、HMI出現(xiàn)儀表閥門(mén)紅色報(bào)警，檢査出現(xiàn)報(bào)警的部位。此時(shí)需要對(duì)出現(xiàn)報(bào)警的部位的限位適當(dāng)調(diào)整，一般可以恢復(fù)；如果屬于閥門(mén)動(dòng)作不夠靈敏，需要檢査汽缸和氣源壓力。
8、自動(dòng)化儀控網(wǎng)絡(luò)通信故障一般會(huì)發(fā)生在遠(yuǎn)程站的網(wǎng)絡(luò)連接處，此時(shí)會(huì)造成一片閥組無(wú)法正常工作，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的接頭定期檢査，避免氧化和松動(dòng)。
煉鋼廠VD爐自動(dòng)化儀表維護(hù)
1、真空脫氣系統(tǒng)儀表設(shè)備的檢漏
為了使真空脫氣系統(tǒng)的泄漏量降到最低，檢漏是必不可少的步驟，并貫穿在系統(tǒng)各部件出廠檢驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)組裝調(diào)試的全過(guò)程之中。整個(gè)系統(tǒng)主要分成三大區(qū)域：
①真空泵區(qū)域儀表
真空泵各部件出廠前須經(jīng)試壓檢漏，管道出現(xiàn)漏氣的可能性微乎其微，但安裝大量的檢測(cè)儀表后情況變得復(fù)雜，在現(xiàn)場(chǎng)整體組裝后還須經(jīng)正壓皂泡法檢漏，充0.15-0.2MPa的壓縮空氣，保壓24h。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)平均壓降不超過(guò)2%，實(shí)踐表明，每小時(shí)平均壓降小于0.4%是完全可以達(dá)到的。
②真空管道區(qū)域儀表設(shè)備
此區(qū)域組裝后，亦須經(jīng)正壓皂泡法檢漏，特別是各種儀表閥門(mén)的部件，更是檢漏的重點(diǎn)。
③VD真空室與真空計(jì)
VD真空室需最終做好負(fù)壓檢漏后驗(yàn)收，其泄漏率不大于1000Pa.L/s，如果真空室容積為170m3，則壓升應(yīng)小于20Pa/h,同時(shí)可以檢測(cè)0-2×104Pa低壓變送器是否工作正常，這對(duì)于煉鋼脫氣系統(tǒng)足以滿(mǎn)足使用要求。
2、真空管道內(nèi)壁清潔度對(duì)抽真空的影響
從理論上講，管道內(nèi)壁越清潔越有利于提高抽真空的能力，但在生產(chǎn)實(shí)踐中，確定了較為嚴(yán)格的衡量標(biāo)準(zhǔn)，即清除內(nèi)壁垃圾必須做到表面平整，無(wú)明顯凹凸不平處，鋼板見(jiàn)本色。人員在進(jìn)入真空泵之前要確認(rèn)內(nèi)部無(wú)CO,并且要有足夠的氧氣(大于18%)，同時(shí)要帶防塵面具。
3、冷卻水流量對(duì)抽真空的影響。
從理論上講，抽真空并非冷卻水量越大越好。因?yàn)椋鋮s水量過(guò)大，一方面，蒸汽上升所占的面積小，阻力增大，流速慢，排氣速度小，系統(tǒng)真空度提高速度慢；另一方面，由于冷凝器的直徑是根據(jù)最大冷卻水量設(shè)計(jì)的，水量過(guò)大，而排水速度一定，可能會(huì)出現(xiàn)冷卻水反竄到噴射泵中，引起類(lèi)似于“虹吸”現(xiàn)象，造成水面上升，擠占冷凝器空間。但在實(shí)際工作中，往往從出水溫度偏高來(lái)簡(jiǎn)單判定冷卻水量不足，盲目增大冷卻水量，結(jié)果卻適得其反。
判斷冷凝器冷卻水量是否行合適的辦法：
①根據(jù)冷、熱水的實(shí)際測(cè)得流量及溫差(水溫差及鋼水溫度損失)和盜驗(yàn)系數(shù)來(lái)判定冷卻水量是偏大還是偏小，據(jù)此調(diào)節(jié)水量；
②根據(jù)冷、熱水泵的實(shí)際揚(yáng)程檢查相應(yīng)水泵曲線(xiàn)表間接判定冷卻水量的大小，并據(jù)此調(diào) 水量；
③調(diào)節(jié)水壓，降低水溫，調(diào)整各級(jí)冷凝器進(jìn)水閥的開(kāi)啟度。
4、外泄漏點(diǎn)對(duì)真空度的影響
由于整個(gè)系統(tǒng)管路較長(zhǎng)，連接面較多，外泄漏的可能性相應(yīng)增大。雖然每點(diǎn)的外泄漏對(duì)真空度的影響相對(duì)較小，一般在60-260Pa(0.6-2.6mbar)左右，但各點(diǎn)的累加則影響較大。為了快速有效地排除各泄漏點(diǎn)，除了檢査緊固件如法蘭連接螺絲等，還應(yīng)在連接面外緣包一層保鮮膜，效果極佳。
5、VD爐自動(dòng)化儀表維護(hù)周期
①每日維護(hù)：從控制臺(tái)上的HMI圖中檢査閥的工作狀態(tài)。
②每周維護(hù)：清灰、檢查限位開(kāi)關(guān)、軟管接頭與密封件。
③每月維護(hù)：檢査排放閥、壓縮空氣過(guò)濾器、蒸汽開(kāi)關(guān)閥、主切斷儀表閥密封件、冷凝器。若冷凝器排放管是冷的，極有可能冷凝閥出了問(wèn)題。
④每年維護(hù)：拆開(kāi)冷卻器，檢査清洗；清洗熱井，檢査一級(jí)到三級(jí)噴嘴是否松動(dòng)。
現(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多企業(yè)都在生產(chǎn)VD鋼種，其實(shí)差別是很大的。在200Pa真空度下生產(chǎn)出的產(chǎn)品品質(zhì)與300Pa、400Pa、500Pa的品質(zhì)是不同的，一般用戶(hù)鑒別鋼水品質(zhì)很困難。有的企業(yè)生產(chǎn)出的100×106鋼水品質(zhì)與達(dá)到50×10-6以下的鋼水品質(zhì)差別很大，這些問(wèn)題最終還是需要依靠提高自動(dòng)化儀表控制水平和進(jìn)一步降低真空度來(lái)解決。
目前，我國(guó)制造業(yè)對(duì)高端冶金材料的需求加大，VD工藝在各冶金企業(yè)生產(chǎn)流程中也將占有一席之地。提高對(duì)VD設(shè)備特殊性的認(rèn)識(shí)，特別是對(duì)煉鋼廠VD爐自動(dòng)化儀表在生產(chǎn)工藝中的特殊地位的認(rèn)識(shí)，才有利于VD技術(shù)的潛力釋放。
作者：張志杰
