燒結車間閉式冷卻循環水系統應用

李俊峰，鄧志偉，劉濤，郝京波，梁升

（安泰科技股份有限公司，北京 101318）

燒結是粉末冶金行業的常見工序之一，它是一種在特定的氣氛環境下、將工件加熱到指定高溫、并維持一段時間以發生預期等一系列物理化學變化，并進行冷卻的過程。在A企業燒結釹鐵硼磁體的生產過程中，燒結工序是最為關鍵的工序之一。該工序將預取向壓制的毛坯，在真空環境下加熱到1100℃左右，并保溫一段時間，進行微觀組織的物理化學反應，最終冷卻后形成致密化的釹鐵硼合金。該過程常用的設備有真空燒結爐、真空熱處理爐、PVD爐等，由于設備工作溫度高，單爐處理時間長，是整個燒結釹鐵硼生產過程中能耗最大的環節。在工作過程中，燒結設備的冷卻是一個重要問題，目前主要的冷卻方法是往設備內通入30℃左右的冷卻循環水，一方面對高溫部件進行物理保護，一方面協助設備進行工藝條件實現（如溫控精度、冷卻速度）。本文以A公司燒結車間配套的閉式冷卻循環水系統為例，介紹該工程的總體方案設計、選型、實施和運行管理等具體應用。

1 燒結車間冷卻循環水系統重點問題

1.1 設備及用水量

對于真空燒結爐、真空熱處理爐等設備，工作溫度長期保持在900℃以上，大部分時間以維持大水量、保持燒結室的結構安全為主；即使是在冷卻階段，通過風機鼓風經換熱器冷卻工作室，從300℃降低到室溫，該過程中熱交換一二次側的溫差仍比較大，對水溫敏感程度低，維持在30℃左右并保持水量即可；對于PVD爐等需要冷卻靶材或線圈的設備，要求精確控制低水溫15～20℃，以保證工藝參數實現，這類設備往往用水量較燒結爐小得多。

1.2 水質要求

因設備工作溫度高，對水質有一定要求：首先要求循環水中的鈣鎂離子濃度低；其次要求對微生物進行控制，以降低燒結設備水套、換熱器和管道的內壁結垢速度，減少黏泥，防止堵塞管道或降低換熱效率。

1.3 水壓控制

對于燒結設備的主要用水點：爐體爐門水套、風機換熱器、擴散泵、以及插板閥等部件，水路數量多、管徑差異大、水量和壓力損失差異很大，為了保證各個用水部件的水量，在設備上均設計有分水器和集水器，集水器大多采用開放模式，聯通大氣壓，這樣即使在水壓很小的情況下，各回路都能正常冷卻，并且這種方式能直觀的觀察和判斷設備用水情況。在實際應用中，水系統一般需要帶整個車間的設備，因而需要覆蓋用水點的距離差異和供回水條件的差異，一般按照恒壓供水進行設計，水壓以保證最遠端設備的正常用水為準。系統根據用水設備數量變化引起的水壓變化進行自動調節，以達到工藝要求下的最低用能。

1.4 安全和備用

燒結過程為高溫過程，中途一旦停水，在高達1000℃以上的溫度下，除產品性能受到影響之外，將對爐體、爐門、風機等部件可能造成不可逆的永久損壞，甚至會引起蒸汽噴射和人員安全事故。因此，需要做充分的冗余設計和安全考量，嚴防停水事故的發生，以及萬一事故發生的后果防范。

1.5 冬季防凍和夏季極熱

水系統面臨冬季和夏季兩種極端氣候下的巨大熱負荷波動，因此有必要區別對應；如夏季發揮冷卻系統100%效能的話，在冬季可能不到40%，如果不能靈活調整系統，將造成極大的能源浪費。并且在北方地區，冬季需要重點防范循環水結冰的問題：一旦結冰，短期內無正常供水，生產停滯；更甚者可能導致冷卻塔或水管凍裂，恢復的時間和難度更大，往往會造成巨大的經濟損失。

1.6 節能運行

燒結工序能耗大，長期的加熱、降溫過程以及貫穿始終的真空系統是主要用能動作。例如，在燒結釹鐵硼材料的燒結過程中，300kg爐的燒結和熱處理兩序電耗超過1200kWh/爐，占整個材料生產電耗的50%以上。而燒結爐配套的循環冷卻水的用電則占燒結爐電耗的20%左右，其中以動力系統（水泵）的能耗為主，其次是冷卻系統（冷卻塔）。如何在水系統的動力和冷卻部分做相應的節能設計，將直接影響到生產成本，意義重大。

2 工程設計及實施

2.1 閉式循環系統

燒結類設備的用水點數量多、各路流量差異大，目前行業內主要采用開式系統：即熱水池中的熱水經泵至冷卻塔冷卻后回流至冷水池，冷水經泵供給車間設備，給水由設備自帶的分水器分到各用水點，各路回水至開放式集水器中，經回水干管匯流到熱水池。這種方式可方便直觀地觀察每路用水點的情況，并進行調整，平衡各路用水量。缺點是水質難以維護，長期運行引起設備的水套、冷卻器和管路結垢和腐蝕嚴重，影響使用壽命和設備性能。

A企業燒結車間設備價值和工藝穩定性要求都比較高，因此對水質要求嚴格，首選采用閉式系統，主要設備為逆流式閉式冷卻塔。閉式循環系統中冷卻水與外界環境直接接觸，可以防止粉塵、微生物、有害離子和其他介質進入系統，長期運行效果較好。該系統中冷卻水為循環使用，蒸發量很小，因此考慮使用純水，并根據運行水質狀況加入適量的防腐劑、抑菌劑等藥劑。閉式冷卻塔的噴淋水蒸發量大，并且需要與外界環境接觸，設計使用軟化水，以降低長期運行過程中水垢的積累對冷卻塔效果的影響。

2.2 水溫

根據燒結爐、熱處理爐等設備的特點，結合燒結爐用水要求及經驗，設計系統供水水溫32℃，回水溫度37℃。

2.3 水量確定

根據車間設備用水量核算所需水量為：15t/h/臺×4臺=60（t/h），設備及管道內的系統水量約為5t。

2.4 冷卻塔選型

根據系統水量及水溫要求，選定良機品牌LNCM—65型閉式冷卻塔，由于車間內外的場地限制，無法再新增工藝設備、無須預留富裕水量。該型冷卻塔循環水量65t/h，標準工況為37℃給水32℃回水。本案再通過其他措施優化設備用水方案，適當平衡熱負荷，以降低對冷卻設備的要求。

2.5 水力計算

循環水管路的損失約為0.02Mpa，沿程高差損失約為0.05MPa用水設備的損失小于0.2MPa。經查冷卻塔技術參數，其內部盤管的典型壓力損失為0.1MPa；因此，在系統水不經冷卻塔的情況下，系統壓力損失約0.27MPa，對應水泵的揚程應在27m以上；在系統水經冷卻塔的情況下，系統壓力損失約0.37MPa，揚程應在37m以上；在熱水經塔直接回冷水池的情況下，揚程應在15m以上。

2.6 集水箱和泄壓功能配置

閉式系統一般會存在多個回水點壓力不平衡引起的水量不均問題，嚴重時可能出現部分管路無回水的現象，進而導致設備受損。為了解決這個問題，本系統設計半地下式集水箱，并在水箱內焊接密封的PVC內膽，以達到以下目的：（1）集水后泄壓；（2）保護水質密閉不收污染；（3）提供一定的系統水容量，利于啟停泵和設備檢修時卸水；（4）在冬季可以利用地坑自然散熱，并有一定的防凍作用。

水箱分為冷水箱和熱水箱，下半段是分離結構，頂端是連通結構，在熱水箱滿后可溢流至冷水箱，冷熱水箱的動態調整容量稍大于系統水量，以保證停機時系統水的回流。本案中由于場地限制，采用半地下一體澆筑的混凝土地坑，冷熱水容量各約10t，坑內焊PVC內膽，并將冷卻塔放置于坑頂以節省空間。

2.7 排氣閥及卸水點的設置

閉式循環水系統需在管道最高點（一般是末端）設置排氣閥，以防形成局部氣阻或氣蝕，影響水流和水量分布。另外，由于系統封閉性，涉及設備檢修的情況下，需要有低位卸水點，因此需要在設備進出口、泵的進出口均設置閥門，在低點設置卸水閥門。在冬季部分室外的管道切換不用的情況下，必須將這部分管道中的水放凈以防凍裂，因此，需在相應管道前后閥門間設置卸水點。

2.8 儀表配置

閉式循環水系統中水泵前、后，設備進、出水口，需要分別安裝壓力表；管道末端需要安裝壓力傳感器作為恒壓供水的控制信號；在給、回水主管和室外環境分別安裝溫度傳感器，作為控制冷卻塔風機的信號；在設備集水器的每個回路中安裝水流開關，作為監督水量的報警信號。

2.9 安全配置

按常規做法，應設置備用泵防止水泵故障；應設置柴油機泵或高位應急水箱，作為非電情況下的緊急應對措施。本案中供水泵均為一用一備；因場地限制和安全環保等限制性政策，兩項非電情況的安全措施不具備實施條件。考慮本車間循環水量較小，因此本案將自來水和應急消防水作為應急水源，在消防栓和自來水接口處預留快速接頭，但不直接連通到本系統，以防誤操作影響系統水質。一旦發生停電，工人迅速將水龍帶接到自來水和應急水快速接頭處，關閉外部主管路的閥門防止破壞整個系統水質，并打開主管路上的卸水開關，可以在幾分鐘內完成切換，保證設備安全，并保持室外地坑和管道內的大部分純水不受影響。

2.10 閉式冷卻循環水系統圖

綜合以上設計系統圖如圖1所示。

圖1 水系統圖

具體配置如下：

冷卻塔：1臺逆流式密閉冷卻塔LNCM—65（良機），Q=65t,N=10Kw；

熱水泵：2臺KQL100/140S-7.5/2（凱泉），Q=80t/h，H=24m，N=7.5kW；

冷水泵：1臺KQL100/165-15/2（凱泉），Q=115t/h，H=34m，N=15kW；

1臺KQL100/170-15/2（凱泉），Q=87t/h，H=38m，N=15kW；

3 運行控制和管理

針對A企業所處北方地區的冬季長、冬季冷、全年溫差大的氣候特征，系統設計3種運行模式。

3.1 夏季運行模式

如圖2所示，在熱負荷大的季節（夏季及春秋季部分時段），開啟閥門F1、F3、F4、F6，關閉閥門F2、F5，熱水泵將熱水打入冷卻塔冷卻后，自然回流至冷水箱，冷水泵將冷水供至車間內設備，設備回熱水經主管匯流至熱水箱，不平衡部分水量通過水箱間溢流自然均衡。熱水泵一用一備，冷水泵優先開啟大流量泵，以大水量增加換熱量，小流量泵作為備用。

圖2 夏季運行模式

3.2 冬季運行模式

如圖3所示，在散熱條件好、熱負荷不大的季節（春秋冬季部分時段），開啟閥門F2、F5，關閉閥門F1、F3、F4、F6。該模式下系統水不經過水箱，冷水泵將水供至車間內燒結爐，設備回熱水經主管匯流至冷卻塔內冷卻，再通過冷水泵供至車間。熱水泵全部停用，冷水泵優先開啟小流量泵，獲得較高的水壓以克服冷卻塔的水壓損失，大流量泵作為備用。這種模式熱水泵停用，節能效果明顯；多余的系統水存入水箱下半段，可防結冰。

圖3 冬季運行模式

3.3 極寒運行模式

如圖4所示，在極寒條件下（寒冬），開啟閥門F1、F6，關閉閥門F2、F3、F4、F5。該模式下系統水不經過冷卻塔，冷卻塔放空以規避凍裂的問題。冷水泵將水供至車間內燒結爐，設備回熱水經主管匯流至熱水箱中，再溢流至冷水箱，通過冷水泵供至車間。由于車間內和室外溫度極低，通過室內外的自然散熱已基本能滿足設備散熱；同樣，該模式下熱水泵和冷卻塔全部停用，節能效果明顯；冷卻塔放空解決了結冰之憂；系統水位于半地下，可兼顧自然散熱和保溫防凍。

3.4 系統運行控制

圖4 極寒運行模式

首先，為保證用水設備穩定運行，以及管理的直觀和方便，業內一般都對供水壓力進行管控，本案采用恒壓供水方案。由于車間設備少、分布集中，可通過供水管道末端的壓力來控制冷水泵的運行頻率，進行恒壓供水。在冷卻塔的水溫控制上，以供水總管、回水總管、環境溫度3項作為參考，進行分段PID模糊控制，保持溫度在一段時間內的穩定性。

其次，考慮燒結車間內生產排產和工藝節奏的特點，4臺設備的裝爐時間先后會錯開30min以上，并且在80%以上的高溫恒溫燒結時段內，設備對水溫不敏感，僅在最后的冷卻時段需要保證水溫和水量穩定，以確保冷卻速度不影響產品性能。據此對燒結爐風機冷卻器的供水設置2檔控制，即：常規時段為一檔，開啟一路供水，水量為原正常水量的60%左右；冷卻時段為二擋，開啟兩路供水，水量可達原正常水量的120%，加強水量以防水溫的不足。該方法在保證設備性能的前提下，降低大部分時間段的用水量，并可適當降低工藝設備對水溫的要求，進而達到節能的效果。

再者鑒于燒結爐的連續工作時間長，一般釹鐵硼行業內的燒結爐工作時間多在12～30h，視為連續運轉，因此循環水一般是長流水形式；實際在常溫和低溫狀態下的抽真空、進出料、檢修、等待等時段內，冷卻水是無效或部分無效的，長流水白白損失了大量的水力，加重了水泵的負擔，浪費了電能。本案中增加單體設備給水的電磁閥，并與設備聯動，在設備運轉時段用水，停機、待機時段關停，配合回水分路的水流開關形成報警系統，協助生產人員的點檢和管理。由于給水和回水管道都處于高位，即使在給水電磁閥關閉的狀態下，設備所有用水點仍會保持充滿水的狀態，不會出現干燒的情況；通過對低效、無效的用水控制，降低運行水量，進而利用恒壓控制系統降低供水泵頻率，達到節能的效果。尤其是在產能負荷不高的情況下，節能效果更加明顯。

4 結語

閉式冷卻循環水系統應用于釹鐵硼磁體燒結車間，能直接提高燒結爐、熱處理爐及附屬部件的換熱效率并延長其使用壽命。本案水系統在水質保證、運行安全保障、多模式節能運行、降低系統運行動力等方面優勢突出，綜合效益顯著，有行業推廣應用意義。