VD是炼钢厂真空脱气(vacuum degass)的简称，炼钢厂真空脱气作为管线钢、油罐钢为代表的品种钢生产的 重要工艺手段，越来越受到冶金企业的关注。截至2006年，120t规模VD炉在南京钢厂已创下连续生产十几炉的国内较高纪录，鞍山钢铁集团公司VD炉在业内应用水平也很高。济钢一度达到了每班连续生产15炉的目标，以后很少有更高的报道。
炼钢厂VD炉作为一套自动化仪表高度集中的设备，95%的控制与检测来自动化仪表，51%的故障与炼钢厂VD炉自动化仪表有关。炼钢厂VD炉除有自动化、应用电子特点外，还与机械、热工专业相关。不少炼钢厂仪表维护技术力量薄弱，新建VD设备没有充分发挥作用。下面作者根据2001年接触该设备以来多次处理停机故障的经验，结合在鞍钢培训和济钢现场中遇到的具体故障现象，从技术角度作一分析。
炼钢厂VD炉自动化仪表故障分析
◆ HMI显示真空度不准确。
图1所示为VD脱气的基本原理，这是VD设备最常见的设备构成。该泵主要由多级主、辅泵体与三个冷凝器两大部分组成。各级泵体均由拉瓦尔喷嘴、吸入室和扩压器组成。冷凝器由筒体、淋水板和冷却水布水管组成。水、汽系统包括冷凝水、蒸汽、汽水分离器等。控制部分含PLC电气控制系统和仪控系统。
图1 炼钢厂真空脱气示意图
顺序启动多级主、辅喷射泵，通过拉瓦尔喷嘴将工作蒸汽的喷射速度提高到1.5马赫以上，利用产生的压差，使之与吸入口处的高温炉气混合成为混合气体，在经过扩压器喉部后减速增压进入后级冷凝器内，经过后级冷凝器冷却后，被冷凝物质随冷却水一起由冷凝器底部的下水口流至热井水封池内，部分被抽炉气由冷凝器上方的出口排至下一级喷射泵或排放大气中，在这过程中产生的真空，使大气和真空室之间形成压力差，迫使钢液中的气体溢出，并在氩气的搅拌作用下，底部钢液中的气体和杂质不断上浮，随炉气排出，完成钢液的脱气过程。由此可见，真空的形成和保持是实现钢液脱气的关键。
投产初期和生产稳定一段时间后容易出现真空度下降速度的故障，此时首先要检査测量真空度的两个变送器，尤其是低压YR-ER102-B1CABNN1NNC1 0-20kPa(0-200mbar)的单晶硅压力变送器，可能会出现因为灰尘和钢渣堵塞测压管道的情况，使得无法及时准确地测量压力。除此之外，重点检査蒸汽喷射真空泵，如果出现真空泵喷嘴脱落或者偏离轴线，也会出现这类问题。
1、真空系统泄漏
所谓系统泄漏，也就是通常说的外漏，一般发生在仪表阀门连接法兰、阀芯上部，由于整个系统都是负压，极难发现。在现场通常的处理办法有两个：一是点燃一支香烟，贴近可疑点，观察烟雾的飘向；二就是用很薄的纸张贴在可疑点，如果吸附住了，说明漏气严重。
2、喷嘴接头垫片内漏气
真空泵由三部分组成，喷嘴是较易出故障的部位，特别是连接喷嘴的法兰，在高温蒸汽冲洗下出现松动的概率很高。根据经验，100-300炉就应该做一下检测，最迟在500炉时打开，否则很快就会出现内泄。只有打开并拆洗喷嘴，更换垫片并把紧法兰，才可能避免漏气。
3、系统真空管道法兰、仪表取压管焊缝、罐盖处漏气
由于VD真空脱气系统，是将钢包置于一个真空室里进行脱气处理，故系统的真空容积比较大，达250m3，左右(包括管道)。整个系统的法兰密封点达100余处，其密封线的展开总长达180m左右。对于泄漏的处理办法一是补焊、紧固螺栓或更换新垫；二是检査是否存在下列情况：
①摄像镜头观察窗密封条损坏；
②真空罐的硅橡胶密封条压坏、破损、老化或密封条接口处出现间隙；
③焊缝处存在裂纹；
④喂丝后丝线处理不当，使真空盖与真空罐之间造成漏气；
⑤真空仪表阀阀口损坏；
⑥真空管道充气仪表阀或真空管道放水仪表阀处于开启状态；
⑦流量计测量孔堵头脱落或者堵塞；
⑧冷凝器的下水管及启动泵的排气管出口没有伸入到水封池内等。
对VD真空罐系统泄漏，重点应检査动态密封处，例如罐盖密封圈的情况。
内泄漏主要是：
①与主冷凝器连通的单向阀损坏(阀盖脱落、偏移等)；
②喷嘴接头处垫片损坏。
由于系统的管路较长，设备欠修，有的设备接口处密封性能下降，单个设备存在裂纹，尤其是 逆止阀失灵造成的内、外泄漏量增大，大大增加了排气系统的排气量，增加了各泵的排气负荷。
◆系统抽气时间太长
VD设备通常可在6-8min把真空度降低到200Pa(2mbar)以下，只要不超过10min, 270mm厚度的连铸机0.8-1.0m/min的生产节奏不会被打乱。但是在故障情况下，抽真空时间再长也降不到200Pa以下，因为已经利用蒸汽抽出来的真空与漏进来的空气达到平衡状态，除非堵住漏洞，或者加大抽真空能力，否则真空永远达不到200Pa以下。
根据现场维护的经验，釆集真空度的压力变送器是比较关键的设备，有时因为前面的过滤网堵塞会引起系统抽真空时间加长，此故障比较隐蔽，需要清理积灰才能恢复。
1、真空泵喷射器的喷嘴堵塞与侵蚀
通常真空泵被设计成五级，所有蒸汽喷射泵是串联工作，将烟气逐级压缩。喷嘴采用不锈钢制成，加工精度很高，堵塞或侵蚀都会影响拉瓦尔喷嘴处蒸汽的膨胀效果，所以有必要定时清洗，并确认蒸汽喷嘴在底座上的固定状态，因为泵体与蒸汽喷嘴的同轴度有非常高的安装精度要求。利用检修停炉时间拆开喷嘴清洗异物(如图2)，必要时吹扫进汽管道。
图2 喷射泵喷嘴上附着异物示意图
某级喷射器的喷嘴堵塞，功能退化或喷射器的扩压器喉部积灰太多，阻塞气流通道。扩压器喉部积灰达到一定的厚度时，会改变扩压器的轴心线，此时拉瓦尔喷嘴喷出的高速蒸汽会在扩压器内部产生一种紊流现象，从而造成泵的工作特性明显下降，影响泵的抽气性能。
2、冷凝器水嘴侵蚀与堵塞
在检查电磁流量计等检测仪表正常的基础上，分析进入冷凝器的水的流量变化。由于喷嘴和蒸汽的接头处多为普碳钢材质，侵蚀现象一般较为严重，该处发生故障不仅较为隐蔽，而且将直接制约抽真空能力，因为紊乱的蒸汽气流最终可能扼制抽真空的能力，但此时仪表处流量通常会变大。
水喷嘴是普通的Q235材质，极易锈蚀，在长期大水量冲刷下，容易脱落，结合仪表处流量的变化可以定期打开人孔检查喷嘴作为月计划检修的内容，同时可以检査是否有堵塞现象。对于使用年久、磨损腐蚀的元件，利用大修检查、更换新件，必要时更换新泵。
3、真空系统积灰
真空系统积灰是一种常见的故障根源。在真空罐到真空主切断仪表阀之间设有粉尘分离器，需要定期打开清灰(100-300炉)放灰。同时真空泵体内壁需要定期清理，否则内壁积灰太多会影响真空度，如图3所示。
图3 VD炉真空管道内的积灰
4、冷凝水温度与水质的影响。
系统中设置冷凝器的目的是凝缩除去来自前段的可凝性气体，减少后段喷射泵的负荷，而冷凝器的作用原理是通过冷却水与蒸汽间的相互对流，最终由冷却水吸收蒸汽，并将蒸汽冷凝成为冷凝水，由冷凝器的下部排水口排放至水池内。在冷凝蒸汽的同时，被分离出来的炉气由排气口排放至大气或下一级泵内。冷却效果不好时，高温烟气中的可凝性气体不能完全凝缩为液态，冷凝器中的烟气含量大，会造成真空度下降。而冷却水量、水温、水质及冷凝器的结垢 是影响冷却效果的主要原因。
在系统其他条件一定的前提下，增大冷却水与高温混合烟气的接触面积，延长冷却水与高 温混合烟气的接触时间是使它们充分进行热交换，获得理想的冷却效果的设计基础。VD冷凝器的设计思想是采用冷却水与高温烟气接触面积大的筛板式冷却水分配盘，使冷却水通过盘上的钻孔形成水滴和水柱向下流动。但由于脱气中高温烟气含尘量高，分配盘表面结垢达10-20mm，φ8mm的钻孔几乎全部堵死，实际形成了溢流式分配盘的效果，冷凝器的功能下降，成为影响VD系统真空度下降的主要原因之一。
此时必须对冷凝器定期清洗以及进行水质净化处理。冷凝器各喷淋孔是否畅通，直接关系到系统的冷却效果，从而与抽真空的能力密切相关。实践中发现，冷凝器很容易被杂物堵塞及结垢。
冷凝器堵塞处理措施：
①在冷、热水泵的进口处设置防护网，挡住外界混入的颗粒较大杂物；
②增设水质净化处理设备，提高水质，延缓系统内部的积垢。
首先，应该确保水的洁净度，不含杂质，不结垢，否则容易引起冷凝器冷凝孔不畅通，其次，在总水量基本确定的条件下，冷凝器内过大的水流会扼制真空泵的能力，所以对各级冷凝 器的水分配至关重要。所以，各阀门的开度大小在真空调试时就已经确定下来，轻易不做改动；若需要改动，最好留有标记，以便恢复原位。
冷却水的温度偏高，严重影响和制约了抽真空能力，使抽真空时间延长甚至无法达到应有的真空度。所以，定期检修测温仪表是不可缺少的步骤。
5、罐盖摄像机气幕流量过大
为及时了解生产中钢水的状态，一般在VD罐盖上设计人工视窗和自动摄像两种观察方 式。前者不往罐内充入气体，后者从保护镜头角度考虑，设有气幕，会往罐内充入一定数量的仪表压缩空气。一般是在生产降盖时打开，因罐盖热辐射很强，电磁阀根本无法长期工作，此 处连锁通常被置于常开状态。如果压力和流量不合适，吹入罐内的气体会造成抽气时间长。
◆喷射器与管道出现异常喘振声。
此类问题比较明显，根据在现场遇到的现象整理分类，出现这种故障应该注意以下方面：
1、工作蒸汽压力过低，致使冷凝水增多，出现类似“水锤”现象，此时应该提高蒸汽压力。
2、冷却水量不足或温度过高，冷凝器工作不正常。这是一种常见的故障，一般此时要提高水压到0.45MPa以上、降低水温到30℃以下，效果较好，并适当调节各级冷凝器进水阀的开度。
3、喷射器的扩压器喉部积灰太多，阻塞气流通道。这种现象除了检査清理没有别的解决 办法。
4、对使用年限长久、磨损腐蚀的元件，应利用大修检査、更换新件，必要时更换新泵。
5、工作蒸汽含水量太大，加强汽水分离器和汽包的疏水、改善锅炉操作，检修或更换疏 水器。
6、工作蒸汽的温度过高，蒸汽的过热度大于20-30℃调节或检修蒸汽降温装置，把过热度控制在0-15℃范围内。
7、HMI出现仪表阀门红色报警，检査出现报警的部位。此时需要对出现报警的部位的限位适当调整，一般可以恢复；如果属于阀门动作不够灵敏，需要检査汽缸和气源压力。
8、自动化仪控网络通信故障一般会发生在远程站的网络连接处，此时会造成一片阀组无法正常工作，需要对网络的接头定期检査，避免氧化和松动。
炼钢厂VD炉自动化仪表维护
1、真空脱气系统仪表设备的检漏
为了使真空脱气系统的泄漏量降到最低，检漏是必不可少的步骤，并贯穿在系统各部件出厂检验和现场组装调试的全过程之中。整个系统主要分成三大区域：
①真空泵区域仪表
真空泵各部件出厂前须经试压检漏，管道出现漏气的可能性微乎其微，但安装大量的检测仪表后情况变得复杂，在现场整体组装后还须经正压皂泡法检漏，充0.15-0.2MPa的压缩空气，保压24h。有关标准为每小时平均压降不超过2%，实践表明，每小时平均压降小于0.4%是完全可以达到的。
②真空管道区域仪表设备
此区域组装后，亦须经正压皂泡法检漏，特别是各种仪表阀门的部件，更是检漏的重点。
③VD真空室与真空计
VD真空室需最终做好负压检漏后验收，其泄漏率不大于1000Pa.L/s，如果真空室容积为170m3，则压升应小于20Pa/h,同时可以检测0-2×104Pa低压变送器是否工作正常，这对于炼钢脱气系统足以满足使用要求。
2、真空管道内壁清洁度对抽真空的影响
从理论上讲，管道内壁越清洁越有利于提高抽真空的能力，但在生产实践中，确定了较为严格的衡量标准，即清除内壁垃圾必须做到表面平整，无明显凹凸不平处，钢板见本色。人员在进入真空泵之前要确认内部无CO,并且要有足够的氧气(大于18%)，同时要带防尘面具。
3、冷却水流量对抽真空的影响。
从理论上讲，抽真空并非冷却水量越大越好。因为，冷却水量过大，一方面，蒸汽上升所占的面积小，阻力增大，流速慢，排气速度小，系统真空度提高速度慢；另一方面，由于冷凝器的直径是根据最大冷却水量设计的，水量过大，而排水速度一定，可能会出现冷却水反窜到喷射泵中，引起类似于“虹吸”现象，造成水面上升，挤占冷凝器空间。但在实际工作中，往往从出水温度偏高来简单判定冷却水量不足，盲目增大冷却水量，结果却适得其反。
判断冷凝器冷却水量是否行合适的办法：
①根据冷、热水的实际测得流量及温差(水温差及钢水温度损失)和盗验系数来判定冷却水量是偏大还是偏小，据此调节水量；
②根据冷、热水泵的实际扬程检查相应水泵曲线表间接判定冷却水量的大小，并据此调 水量；
③调节水压，降低水温，调整各级冷凝器进水阀的开启度。
4、外泄漏点对真空度的影响
由于整个系统管路较长，连接面较多，外泄漏的可能性相应增大。虽然每点的外泄漏对真空度的影响相对较小，一般在60-260Pa(0.6-2.6mbar)左右，但各点的累加则影响较大。为了快速有效地排除各泄漏点，除了检査紧固件如法兰连接螺丝等，还应在连接面外缘包一层保鲜膜，效果极佳。
5、VD炉自动化仪表维护周期
①每日维护：从控制台上的HMI图中检査阀的工作状态。
②每周维护：清灰、检查限位开关、软管接头与密封件。
③每月维护：检査排放阀、压缩空气过滤器、蒸汽开关阀、主切断仪表阀密封件、冷凝器。若冷凝器排放管是冷的，极有可能冷凝阀出了问题。
④每年维护：拆开冷却器，检査清洗；清洗热井，检査一级到三级喷嘴是否松动。
现在国内很多企业都在生产VD钢种，其实差别是很大的。在200Pa真空度下生产出的产品品质与300Pa、400Pa、500Pa的品质是不同的，一般用户鉴别钢水品质很困难。有的企业生产出的100×106钢水品质与达到50×10-6以下的钢水品质差别很大，这些问题最终还是需要依靠提高自动化仪表控制水平和进一步降低真空度来解决。
目前，我国制造业对高端冶金材料的需求加大，VD工艺在各冶金企业生产流程中也将占有一席之地。提高对VD设备特殊性的认识，特别是对炼钢厂VD炉自动化仪表在生产工艺中的特殊地位的认识，才有利于VD技术的潜力释放。
作者：张志杰
