蒸汽喷射真空泵在不锈钢精炼过程中的应用研究

姚亮博

（山西太钢不锈钢股份有限公司， 山西 太原 030003）

VOD 作为炉外精炼设备，在不锈钢冶炼过程中至关重要，主要起脱碳、脱氮、脱氢等作用。水蒸汽喷射泵作为获得真空的主要设备，稳定运行则是重中之重。目前，国内99%以上VOD 都采用蒸汽喷射泵来获得真空，主要有抽气能力大、投资少、获得真空速度快、对被抽气体清洁度要求低等优点。一般情况下，真空泵系统的设计依生产工艺要求决定（主要指抽气能力和速度），但由于受具体冶炼反应条件限制、所使用介质的局限性，往往难度较大。因此，分析研究真空泵系统原理以及影响真空度的机理，为应用维护提高合理的依据。

图1 单级泵的工作原理图

1 蒸汽喷射泵原理

水蒸汽喷射泵是以水蒸汽为介质，从拉瓦尔喷嘴中喷射出高速蒸汽射流来携带被抽气体，从而达到抽出气体的目的。单级泵的工作原理如图1 所示，主要由拉瓦尔喷嘴、混合室、扩压器等组成。具体原理为，工作蒸汽通过拉瓦尔喷嘴加速，将蒸汽的压力能转化为动能，在喷嘴喉部达到音速，在喷嘴扩张段气流继续加速，在出口处获得超音速气流喷射到混合室。此时，压力降低，在混合室形成低压，将被抽气体吸入。同时工作蒸汽和被抽气体在混合室进行能量交换，使两者的速度趋于一致，接着混合气体在扩压器中减速增压，在其喉部产生正激波，使气流压力突升速度降低至亚音速，最终克服出口反压而排到泵外，实现动能向压力能的转化。

然而，单级泵的压缩比一般为8～10，真空度不能满足生产需要，为了获得更低的工作压力，需将多个喷射泵串联起来工作，中间增加冷凝器，以便将失去工作能力的蒸汽冷凝以降低下一级泵的负载。以山西太钢不锈钢股份有限公司（以下简称太钢）90 t VOD 为例，采用5 级真空泵组成，中间串联3 台冷凝器，设计最大抽气能力300 kg/h，如图2 所示。

图2 90 t VOD 工作原理图

2 蒸汽喷射泵的抽气特性

单级泵抽气性能参数及影响因素：水蒸汽喷射泵的抽气性能由引射系数和压缩比来描述。

1）引射系数为被抽气体质量流率与工作蒸汽质量流率之比：

式中：μ 为引射系数；G为被抽气体质量流率；G0为工作蒸汽质量流率。

2）引射系数反映泵的抽气能力和效率。

压缩比为泵的出口压力与入口压力之比：

式中：Y为压缩比；P4为泵的出口压力；P1为入口压力。

压缩比反映泵的排气能力以及可以获得的工作真空度。

泵的抽气性能与工作介质以及被抽气体的压力、温度、流量等因素有关。

3 影响真空泵性能的因素

3.1 工作蒸汽

工作蒸汽的品质对喷射泵的实际抽气性能影响较大。蒸汽喷射泵使用的工作蒸汽为饱和或稍过热。对于蒸汽压力主要从压力、温度及干度方面去研究。一般而言，蒸汽压力越高，工作蒸汽和冷却水的消耗越少，但蒸汽压力过高，工作蒸汽的用量以及冷却水的消耗量就不十分明显，且造成成本费用的升高。因此一般蒸汽工作压力在（0.9～10.5）MPa 范围内。对于蒸汽温度，一般控制在190～210 ℃范围内。但由于蒸汽管网供热（过热的大于100 ℃），需要对蒸汽进行降温使用。近年来，通过对降温系统进行摸索改进，目前采用的文丘里降温装置（图3），将蒸汽温度可恒定在某一范围内，并实现降温水和蒸汽的充分混合，减少工作蒸汽的含水量，对于抽气性能及喷嘴结垢有明显效果。

3.2 冷却水

冷却水的压力温度以及在每一级冷凝器中的分配量都至关重要。冷却水的主要作用是用于冷却每级泵排除的废气中所含蒸汽，降低下一级泵的负载。研究冷却水的参数主要从压力、温度和流量三个方面着手。

图3 为蒸汽减温装置

3.2.1 压力

对于水处理的供水压力，一般要求在水分配器处的表压为（4.0～4.5）×105Pa（4.0～4.5 bar）。

3.2.2 温度

冷凝器进口处冷却水温度越低，冷却水消耗越少。但考虑到投资及消耗成本，一般要求30 ℃以下为宜。

3.2.3 流量

冷却水的流量计算相对复杂，需要考虑前一级泵的蒸汽耗量、冷却水温度，以及该冷凝器内压力等因素（见表1）。

冷却水消耗计算：

式中：GS为通过冷凝器水蒸气的凝结量；t2，t1分别为冷却水入水、出水温度。而

式中：GZ4，G′Z4分别为冷凝器入口、出口处可凝蒸汽量。

式中：P′4为冷凝器出口混合物全压力；MK为不可凝结气体分子量；P′Z4为冷凝器出口处蒸汽分压，与冷凝器出口处混合物温度t′4相对应，并且t′4=t1+（1～3）。

而P′4=P4-ΔP.

式中：ΔP为冷凝器气阻，前级冷凝器ΔP=670 Pa，末级冷凝器ΔP=1 330 Pa。

表1 冷却水的流量计算

3.3 真空系统阀门

真空系统所用阀门主要分为三类：蒸汽截止阀、切断B 列泵所用的逆止阀、工作蒸汽疏水阀。阀门泄漏以及寿命周期，是真空系统稳定运行的关键。在日常的使用过程中每一种阀门泄漏都会造生产停机，所用对阀门的研究显得很有必要。所以，在选型时注意考虑所使用的介质、温度等参数。目前，通过对阀门密封形式、材质等的研究，摸索出适用于真空系统的系列阀门，延长了使用周期。

4 结语

蒸汽喷射真空泵研究和设计涉及到工程流体力学、工程热力学、实验理论等基础理论。蒸汽喷射真空泵技术发展已有百年历史，且蒸汽喷射真空泵结构也很简单，国内外生产制造厂商众多，但能设计、生产出性能优越的蒸汽喷射真空泵系统厂商不多。其主要原因是影响蒸汽喷射真空泵系统的因素很多、设计参数数据和实测参数数据偏差大，需根据经验和实测进行参数修正并指导产品升级。影响真空泵性能因素主要有引射系数、泵体结构、蒸汽压力、蒸汽温度、冷却水量、真空系统密封等。如何处理好这些参数是工程设计和维护人员追求目标。