VD是煉鋼廠真空脫氣(vacuum degass)的簡稱，煉鋼廠真空脫氣作為管線鋼、油罐鋼為代表的品種鋼生產的 重要工藝手段，越來越受到冶金企業的關注。截至2006年，120t規模VD爐在南京鋼廠已創下連續生產十幾爐的國內較高紀錄，鞍山鋼鐵集團公司VD爐在業內應用水平也很高。濟鋼一度達到了每班連續生產15爐的目標，以后很少有更高的報道。
煉鋼廠VD爐作為一套自動化儀表高度集中的設備，95%的控制與檢測來自動化儀表，51%的故障與煉鋼廠VD爐自動化儀表有關。煉鋼廠VD爐除有自動化、應用電子特點外，還與機械、熱工專業相關。不少煉鋼廠儀表維護技術力量薄弱，新建VD設備沒有充分發揮作用。下面作者根據2001年接觸該設備以來多次處理停機故障的經驗，結合在鞍鋼培訓和濟鋼現場中遇到的具體故障現象，從技術角度作一分析。
煉鋼廠VD爐自動化儀表故障分析
◆ HMI顯示真空度不準確。
圖1所示為VD脫氣的基本原理，這是VD設備最常見的設備構成。該泵主要由多級主、輔泵體與三個冷凝器兩大部分組成。各級泵體均由拉瓦爾噴嘴、吸入室和擴壓器組成。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電氣控制系統和儀控系統。
圖1 煉鋼廠真空脫氣示意圖
順序啟動多級主、輔噴射泵，通過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，在經過擴壓器喉部后減速增壓進入后級冷凝器內，經過后級冷凝器冷卻后，被冷凝物質隨冷卻水一起由冷凝器底部的下水口流至熱井水封池內，部分被抽爐氣由冷凝器上方的出口排至下一級噴射泵或排放大氣中，在這過程中產生的真空，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不斷上浮，隨爐氣排出，完成鋼液的脫氣過程。由此可見，真空的形成和保持是實現鋼液脫氣的關鍵。
投產初期和生產穩定一段時間后容易出現真空度下降速度的故障，此時首先要檢査測量真空度的兩個變送器，尤其是低壓YR-ER102-B1CABNN1NNC1 0-20kPa(0-200mbar)的單晶硅壓力變送器，可能會出現因為灰塵和鋼渣堵塞測壓管道的情況，使得無法及時準確地測量壓力。除此之外，重點檢査蒸汽噴射真空泵，如果出現真空泵噴嘴脫落或者偏離軸線，也會出現這類問題。
1、真空系統泄漏
所謂系統泄漏，也就是通常說的外漏，一般發生在儀表閥門連接法蘭、閥芯上部，由于整個系統都是負壓，極難發現。在現場通常的處理辦法有兩個：一是點燃一支香煙，貼近可疑點，觀察煙霧的飄向；二就是用很薄的紙張貼在可疑點，如果吸附住了，說明漏氣嚴重。
2、噴嘴接頭墊片內漏氣
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松動的概率很高。根據經驗，100-300爐就應該做一下檢測，最遲在500爐時打開，否則很快就會出現內泄。只有打開并拆洗噴嘴，更換墊片并把緊法蘭，才可能避免漏氣。
3、系統真空管道法蘭、儀表取壓管焊縫、罐蓋處漏氣
由于VD真空脫氣系統，是將鋼包置于一個真空室里進行脫氣處理，故系統的真空容積比較大，達250m3，左右(包括管道)。整個系統的法蘭密封點達100余處，其密封線的展開總長達180m左右。對于泄漏的處理辦法一是補焊、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間隙；
③焊縫處存在裂紋；
④喂絲后絲線處理不當，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啟狀態；
⑦流量計測量孔堵頭脫落或者堵塞；
⑧冷凝器的下水管及啟動泵的排氣管出口沒有伸入到水封池內等。
對VD真空罐系統泄漏，重點應檢査動態密封處，例如罐蓋密封圈的情況。
內泄漏主要是：
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。
由于系統的管路較長，設備欠修，有的設備接口處密封性能下降，單個設備存在裂紋，尤其是 逆止閥失靈造成的內、外泄漏量增大，大大增加了排氣系統的排氣量，增加了各泵的排氣負荷。
◆系統抽氣時間太長
VD設備通常可在6-8min把真空度降低到200Pa(2mbar)以下，只要不超過10min, 270mm厚度的連鑄機0.8-1.0m/min的生產節奏不會被打亂。但是在故障情況下，抽真空時間再長也降不到200Pa以下，因為已經利用蒸汽抽出來的真空與漏進來的空氣達到平衡狀態，除非堵住漏洞，或者加大抽真空能力，否則真空永遠達不到200Pa以下。
根據現場維護的經驗，釆集真空度的壓力變送器是比較關鍵的設備，有時因為前面的過濾網堵塞會引起系統抽真空時間加長，此故障比較隱蔽，需要清理積灰才能恢復。
1、真空泵噴射器的噴嘴堵塞與侵蝕
通常真空泵被設計成五級，所有蒸汽噴射泵是串聯工作，將煙氣逐級壓縮。噴嘴采用不銹鋼制成，加工精度很高，堵塞或侵蝕都會影響拉瓦爾噴嘴處蒸汽的膨脹效果，所以有必要定時清洗，并確認蒸汽噴嘴在底座上的固定狀態，因為泵體與蒸汽噴嘴的同軸度有非常高的安裝精度要求。利用檢修停爐時間拆開噴嘴清洗異物(如圖2)，必要時吹掃進汽管道。
圖2 噴射泵噴嘴上附著異物示意圖
某級噴射器的噴嘴堵塞，功能退化或噴射器的擴壓器喉部積灰太多，阻塞氣流通道。擴壓器喉部積灰達到一定的厚度時，會改變擴壓器的軸心線，此時拉瓦爾噴嘴噴出的高速蒸汽會在擴壓器內部產生一種紊流現象，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
在檢查電磁流量計等檢測儀表正常的基礎上，分析進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，侵蝕現象一般較為嚴重，該處發生故障不僅較為隱蔽，而且將直接制約抽真空能力，因為紊亂的蒸汽氣流最終可能扼制抽真空的能力，但此時儀表處流量通常會變大。
水噴嘴是普通的Q235材質，極易銹蝕，在長期大水量沖刷下，容易脫落，結合儀表處流量的變化可以定期打開人孔檢查噴嘴作為月計劃檢修的內容，同時可以檢査是否有堵塞現象。對于使用年久、磨損腐蝕的元件，利用大修檢查、更換新件，必要時更換新泵。
3、真空系統積灰
真空系統積灰是一種常見的故障根源。在真空罐到真空主切斷儀表閥之間設有粉塵分離器，需要定期打開清灰(100-300爐)放灰。同時真空泵體內壁需要定期清理，否則內壁積灰太多會影響真空度，如圖3所示。
圖3 VD爐真空管道內的積灰
4、冷凝水溫度與水質的影響。
系統中設置冷凝器的目的是凝縮除去來自前段的可凝性氣體，減少后段噴射泵的負荷，而冷凝器的作用原理是通過冷卻水與蒸汽間的相互對流，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。在冷凝蒸汽的同時，被分離出來的爐氣由排氣口排放至大氣或下一級泵內。冷卻效果不好時，高溫煙氣中的可凝性氣體不能完全凝縮為液態，冷凝器中的煙氣含量大，會造成真空度下降。而冷卻水量、水溫、水質及冷凝器的結垢 是影響冷卻效果的主要原因。
在系統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，延長冷卻水與高 溫混合煙氣的接觸時間是使它們充分進行熱交換，獲得理想的冷卻效果的設計基礎。VD冷凝器的設計思想是采用冷卻水與高溫煙氣接觸面積大的篩板式冷卻水分配盤，使冷卻水通過盤上的鉆孔形成水滴和水柱向下流動。但由于脫氣中高溫煙氣含塵量高，分配盤表面結垢達10-20mm，φ8mm的鉆孔幾乎全部堵死，實際形成了溢流式分配盤的效果，冷凝器的功能下降，成為影響VD系統真空度下降的主要原因之一。
此時必須對冷凝器定期清洗以及進行水質凈化處理。冷凝器各噴淋孔是否暢通，直接關系到系統的冷卻效果，從而與抽真空的能力密切相關。實踐中發現，冷凝器很容易被雜物堵塞及結垢。
冷凝器堵塞處理措施：
①在冷、熱水泵的進口處設置防護網，擋住外界混入的顆粒較大雜物；
②增設水質凈化處理設備，提高水質，延緩系統內部的積垢。
首先，應該確保水的潔凈度，不含雜質，不結垢，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，冷凝器內過大的水流會扼制真空泵的能力，所以對各級冷凝 器的水分配至關重要。所以，各閥門的開度大小在真空調試時就已經確定下來，輕易不做改動；若需要改動，最好留有標記，以便恢復原位。
冷卻水的溫度偏高，嚴重影響和制約了抽真空能力，使抽真空時間延長甚至無法達到應有的真空度。所以，定期檢修測溫儀表是不可缺少的步驟。
5、罐蓋攝像機氣幕流量過大
為及時了解生產中鋼水的狀態，一般在VD罐蓋上設計人工視窗和自動攝像兩種觀察方 式。前者不往罐內充入氣體，后者從保護鏡頭角度考慮，設有氣幕，會往罐內充入一定數量的儀表壓縮空氣。一般是在生產降蓋時打開，因罐蓋熱輻射很強，電磁閥根本無法長期工作，此 處連鎖通常被置于常開狀態。如果壓力和流量不合適，吹入罐內的氣體會造成抽氣時間長。
◆噴射器與管道出現異常喘振聲。
此類問題比較明顯，根據在現場遇到的現象整理分類，出現這種故障應該注意以下方面：
1、工作蒸汽壓力過低，致使冷凝水增多，出現類似“水錘”現象，此時應該提高蒸汽壓力。
2、冷卻水量不足或溫度過高，冷凝器工作不正常。這是一種常見的故障，一般此時要提高水壓到0.45MPa以上、降低水溫到30℃以下，效果較好，并適當調節各級冷凝器進水閥的開度。
3、噴射器的擴壓器喉部積灰太多，阻塞氣流通道。這種現象除了檢査清理沒有別的解決 辦法。
4、對使用年限長久、磨損腐蝕的元件，應利用大修檢査、更換新件，必要時更換新泵。
5、工作蒸汽含水量太大，加強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、工作蒸汽的溫度過高，蒸汽的過熱度大于20-30℃調節或檢修蒸汽降溫裝置，把過熱度控制在0-15℃范圍內。
7、HMI出現儀表閥門紅色報警，檢査出現報警的部位。此時需要對出現報警的部位的限位適當調整，一般可以恢復；如果屬于閥門動作不夠靈敏，需要檢査汽缸和氣源壓力。
8、自動化儀控網絡通信故障一般會發生在遠程站的網絡連接處，此時會造成一片閥組無法正常工作，需要對網絡的接頭定期檢査，避免氧化和松動。
煉鋼廠VD爐自動化儀表維護
1、真空脫氣系統儀表設備的檢漏
為了使真空脫氣系統的泄漏量降到最低，檢漏是必不可少的步驟，并貫穿在系統各部件出廠檢驗和現場組裝調試的全過程之中。整個系統主要分成三大區域：
①真空泵區域儀表
真空泵各部件出廠前須經試壓檢漏，管道出現漏氣的可能性微乎其微，但安裝大量的檢測儀表后情況變得復雜，在現場整體組裝后還須經正壓皂泡法檢漏，充0.15-0.2MPa的壓縮空氣，保壓24h。有關標準為每小時平均壓降不超過2%，實踐表明，每小時平均壓降小于0.4%是完全可以達到的。
②真空管道區域儀表設備
此區域組裝后，亦須經正壓皂泡法檢漏，特別是各種儀表閥門的部件，更是檢漏的重點。
③VD真空室與真空計
VD真空室需最終做好負壓檢漏后驗收，其泄漏率不大于1000Pa.L/s，如果真空室容積為170m3，則壓升應小于20Pa/h,同時可以檢測0-2×104Pa低壓變送器是否工作正常，這對于煉鋼脫氣系統足以滿足使用要求。
2、真空管道內壁清潔度對抽真空的影響
從理論上講，管道內壁越清潔越有利于提高抽真空的能力，但在生產實踐中，確定了較為嚴格的衡量標準，即清除內壁垃圾必須做到表面平整，無明顯凹凸不平處，鋼板見本色。人員在進入真空泵之前要確認內部無CO,并且要有足夠的氧氣(大于18%)，同時要帶防塵面具。
3、冷卻水流量對抽真空的影響。
從理論上講，抽真空并非冷卻水量越大越好。因為，冷卻水量過大，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，系統真空度提高速度慢；另一方面，由于冷凝器的直徑是根據最大冷卻水量設計的，水量過大，而排水速度一定，可能會出現冷卻水反竄到噴射泵中，引起類似于“虹吸”現象，造成水面上升，擠占冷凝器空間。但在實際工作中，往往從出水溫度偏高來簡單判定冷卻水量不足，盲目增大冷卻水量，結果卻適得其反。
判斷冷凝器冷卻水量是否行合適的辦法：
①根據冷、熱水的實際測得流量及溫差(水溫差及鋼水溫度損失)和盜驗系數來判定冷卻水量是偏大還是偏小，據此調節水量；
②根據冷、熱水泵的實際揚程檢查相應水泵曲線表間接判定冷卻水量的大小，并據此調 水量；
③調節水壓，降低水溫，調整各級冷凝器進水閥的開啟度。
4、外泄漏點對真空度的影響
由于整個系統管路較長，連接面較多，外泄漏的可能性相應增大。雖然每點的外泄漏對真空度的影響相對較小，一般在60-260Pa(0.6-2.6mbar)左右，但各點的累加則影響較大。為了快速有效地排除各泄漏點，除了檢査緊固件如法蘭連接螺絲等，還應在連接面外緣包一層保鮮膜，效果極佳。
5、VD爐自動化儀表維護周期
①每日維護：從控制臺上的HMI圖中檢査閥的工作狀態。
②每周維護：清灰、檢查限位開關、軟管接頭與密封件。
③每月維護：檢査排放閥、壓縮空氣過濾器、蒸汽開關閥、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題。
④每年維護：拆開冷卻器，檢査清洗；清洗熱井，檢査一級到三級噴嘴是否松動。
現在國內很多企業都在生產VD鋼種，其實差別是很大的。在200Pa真空度下生產出的產品品質與300Pa、400Pa、500Pa的品質是不同的，一般用戶鑒別鋼水品質很困難。有的企業生產出的100×106鋼水品質與達到50×10-6以下的鋼水品質差別很大，這些問題最終還是需要依靠提高自動化儀表控制水平和進一步降低真空度來解決。
目前，我國制造業對高端冶金材料的需求加大，VD工藝在各冶金企業生產流程中也將占有一席之地。提高對VD設備特殊性的認識，特別是對煉鋼廠VD爐自動化儀表在生產工藝中的特殊地位的認識，才有利于VD技術的潛力釋放。
作者：張志杰
