真空熱處理爐循環冷卻水設計選型

孔令利，張善慶，賀瑞軍

(北京航空材料研究院，北京 100095)

循環冷卻水系統是一種常見的而且非常重要的公用工程系統，在冶金、熱處理、化工、電力等這些制造業中是必不可少的[1-2]。真空熱處理是在真空環境中對制件進行加熱、保溫和冷卻等工序的熱處理技術，為了達到一定的真空度要求，真空熱處理設備配置了許多不耐高溫的密封元件[3-4]，循環冷卻水系統能夠降低加熱過程中爐體體表溫度，保護不耐高溫的部件，保護整臺設備能安全運行。另外，在進行強冷氣淬工藝時，循環冷卻水作為冷卻氣淬氣體的熱傳導介質，對熱處理設備冷卻能力的影響也是十分顯著。

本文介紹北京航空材料研究院真空熱處理設備配套項目中雙循環水系統的工藝及特點，并對管路系統的設計、循環水泵的選型、蒸發式冷卻塔及水泵進出口管道設計等做了初步的分析和探討，可供類似工程參考。

1 現有冷卻水系統

目前現有兩套配套冷卻水系統，一套為老式開放式冷卻水系統，該循環水系統為開放式結構，使得水質根本無法保證，造成設備水路出現堵塞、積垢和腐蝕等問題，導致熱處理爐頻繁出現故障。同時該系統還存在著冬季凍損、水錘現象、斷電無自保護、系統漏水等諸多問題。另一套為2010年建設的全封閉式冷卻循環水系統，該水冷結構為兩路水的功能相互獨立，利用75 m3不銹鋼循環水箱作為相互連接的紐帶與橋梁(兩路水共用同一水箱內的冷卻水)，一路是開放式的、加藥軟化水的冷卻系統，負責冷卻真空正壓氣淬爐；另一路是開放式、噴淋式的冷卻系統，負責冷卻75 m3不銹鋼循環水箱內水的溫升。該套系統在使用過程發現存在軟化水系統工作效率低下(軟化75 m3的水平均耗時3周)水質凈化能力不足，導致熱處理爐加熱電極、擴散泵冷阱等高溫細水管處出現堵塞。由于外路采用噴淋紫銅管冷卻內循環水的原理，其換熱能力不足，特別在夏天水溫冷卻能力不足時(水溫在40 ℃以上)還需要加自來水進行應急降溫，而到了冬天為了防凍還需要加蓋專門的廠房進行保暖，防止出現管路凍裂，可見該系統存在著設計上的缺陷。

為了解決設備水路堵塞，冷卻能力不足，應急水供應以及冬天水路凍損等問題，新建了一套滿足現場五臺真空爐用水的雙循環冷卻水系統。

2 雙循環冷卻水結構和性能參數

2.1 雙循環冷卻水系統結構介紹

圖1 雙循環冷卻水系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of dual-cycle cooling water system

雙循環水冷卻系統主要包含：開放式外循環與封閉式內循環兩大彼此隔離的部分：一路為全封閉式內循環(水冷方式)，保證現場真空爐的實時冷卻，采用可保證真空爐鈍化與軟化技術指標要求的軟化水，同時內循環在全封閉的氬氣保護狀態下使用，并同高效能的板式換熱器，通過外循環系統實現自身內循環冷卻水冷卻降溫；另一路為開放式外循環(水冷方式)，冷卻依靠水冷模式(冷卻水塔)，同時采用自動回水結構，可杜絕冬季冷卻水結冰的故障。

圖2 雙循環冷卻水系統布局示意圖Fig.2 Schematic layout of dual-cycle cooling water system

外循環系統包含：蒸發式冷卻塔、開放式不銹鋼水池、過濾器、分隔釜、閥門、離心水泵、管路、壓力表、壓力控制器、管路實時水質監測系統、電磁水軟化系統等。內循環封閉系統包含：板式換熱器、氬氣管路、熱電偶、刻度溫度計、控制柜、系統模擬觸屏、自動系統(PLC)、手動系統、可獨立操作的VFD變頻啟動器系統、閉式不銹鋼水箱、過濾器、隔膜泵、閥門、離心水泵、管路、壓力表、壓力控制器、水位視鏡、泵工作狀態指示燈和報警器、數顯溫度控制器、可選擇手動或自動操作的開關、過濾器、帶報警器的低水位切斷開關、冷卻塔能量消耗最小化的水質控制閥、帶壓力開關的冗余泵、熔斷、用于清除雜物的集成過濾器、管路實時水質監測系統、軟化水系統等。

2.2 雙循環冷卻水系統參數

雙循環水冷卻系統的閉循環冷卻水的相關流量、壓力及溫度和水質參數要求如下：

1)氣淬冷卻時進水：流量45 m3/h，壓力3 bar，整體進水口溫度不應超過35 ℃，擴散泵冷阱進水口溫度應控制在20～25 ℃；

2)氣淬冷卻時回水：流量45 m3/h；

3)常用冷卻水的進水：流量10 m3/h，工作壓力0.3 MPa；

4)常用冷卻水的回水：流量10 m3/h；

5)緊急供水：流量3 m3/h，壓力0.2 MPa；

6)總硬度：≤100 mg/kg；

7)PH值：7.5

8)電解電導率：≤300 μs/cm；

9)懸浮體(SS)：≤10 mg/kg；

10)總溶解固體：≤200 mg/kg。

3 雙循環冷卻水關鍵部件配置

3.1 板式換熱器配備

圖3 板式換熱器工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of plate heat exchanger

板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過板片進行熱量交換。板式換熱器是液-液、液-汽進行熱交換的理想設備。它具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊輕巧、占地面積小、應用廣泛、使用壽命長等特點。在相同壓力損失情況下，其傳熱系數比管式換熱器高3～5倍，占地面積為管式換熱器的三分之一，熱回收率可以高達90%以上[5]。

板式換熱器配備的參數以300 m3/h設為系統最大流量，該流量的計算基于5臺淬火爐的散熱需求。其中3臺最大氣淬壓力0.6 MPa，真空爐氣淬時流量為66 m3/h/臺，穩定狀態下流量為23 m3/h。另外2臺真空爐氣淬時流量34 m3/h，其穩定狀態下流量為23 m3/h。經過最終計算得出五臺真空爐平穩狀態總流量為115 m3/h，平均總流量約298 m3/h，取整為300 m3/h。

實際情況下五臺真空爐同時氣冷淬火出現概率非常小，為了分配現場用電配備都是安排錯峰淬火，這里以滿足2臺真空爐同時淬火的情況進行設計，此處預估系統大多數時候處于150 m3/h的流量。真空爐泵采用變頻驅動，用以調整流量從而調整壓力，0.4 MPa壓力時為150 m3/h以節省能耗。作為一個設計參數點選取6 ℃的板式換熱器溫差，選型結果及參數如表1所示。

表1 板式換熱器參數

3.2 雙循環冷卻水水箱配備

真空熱處理爐水箱容量設計為14000 L。在水箱和散熱器的尺寸設計上，在保證散熱需求的前提下選取最優化的方案。保證適當的水箱容量來控制流入爐體的冷卻水溫度，而非水箱內水的溫度。圖4為1400 kg淬火載荷下的溫度變化曲線，注意這里需要關注的是圖4、圖5、圖6中的S.S.爐溫曲線，即流向爐體的冷卻水溫度。

水箱尺寸的優化選擇是基于對水箱造價、冷卻水費用、水處理化學試劑費用，及廠房可用的空間等各因素的平衡實現的。假設選一個很大的水箱尺寸，結果只能少量降低水溫卻不會帶來大的變化。以下為1400 kg 載荷的氣冷淬火測試數據：第一個是4000 L水箱，第二個是40000 L水箱；由測試數據可知最高水溫溫差只有3.22 ℃(34.11～30.89 ℃)。因此，通過平衡冷卻水需求量與水箱造價來實現最佳尺寸選擇。由圖5和圖6所示。

圖4 1400 kg淬火載荷下的配備14000 L水箱溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curve of 14000 L water tank under 1400 kg quenching load

圖5 1400 kg淬火載荷下的配備4000 L水箱溫度變化曲線Fig.5 Temperature variation curve of 4000 L water tank under 1400 kg quenching load

圖6 1400 kg淬火載荷下的配備40000 L水箱溫度變化曲線Fig.6 Temperature variation curve of 40000 L water tank under 1400 kg quenching load

3.3 外循環冷卻塔配備

由板式散熱器設計參數可知：系統熱交換量為2089 kW。根據散熱總量和冷卻水進出口溫度需求設計冷卻塔參數如表2與圖7所示。由表及曲線可知該冷卻塔最大排熱量為2256.3 kW, 完全滿足該系統的散熱需求。外循環冷卻塔長、寬、高尺寸為：6.4 mm×32.6 mm×33.7 mm，運行重量為7.3 t。

表2 外循環冷卻塔參數

圖7 外循環冷卻塔濕球溫度測試冷卻曲線Fig.7 Cooling curve of temperature test for wet in ball cooling tower with external circulation

3.4 其他部分配套

水質控制系統：利用氬氣保護下使進入爐體的循環水的水箱進行真正意義的封閉和無氧接觸，運轉軟化水對真空爐行使冷卻功能，該系統由于與大氣環境隔絕，并有惰性氣體(氬氣)予以保護，再加上專用除垢劑可在閉路內永久地使用，所以該系統內部的軟化水的水質在使用過程中并不會發生較大程度的波動與變化。即使真空爐、管路及補水可能對軟化水的質量產生一定的影響，但由于該系統自身配備了軟化水系統。因此，對該系統可實施實時的軟化作用，從而，從根本上杜絕了真空爐自身冷卻循環水系統內部結垢、泥沙堵塞等諸多影響及故障。

應急供水系統：利用現有儲氣罐內氬氣作為薄膜泵運行動力，在出現供電系統斷電后電磁閥自動轉入常閉(平常為常開)狀態，從而使氣體驅動隔膜泵工作，能夠可靠、穩定、實用地為真空爐冷卻循環水系統提供應急冷卻水，保證真空爐冷卻循環水系統的基本維持性(降溫過程)用水的正常運轉。

冬季冷卻水防結冰系統：由于只有外循環系統管路在室外主要考慮外循環防凍，通過將外循環開放式冷卻塔安裝位置高于外循環水箱，在正常運行時通過水泵升到冷卻水塔中，在不制冷時則是通過重力因素使得冷卻塔管路中的水回流到水箱中從而起到防凍效果。

4 結論

現場真空爐配套雙循環冷卻水系統后，封閉內循環系統在氬氣保護以及軟化水藥劑保護下，水質得到了保證，使用期間真空熱處理爐未出現管路堵塞故障。由此得出

1)整套冷卻水系統冷卻效果良好，在7、8月份冷卻水水溫穩定控制在28 ℃左右，保障現場真空爐自身冷卻保護和氣淬冷卻的用水要求。

2)采用自回水技術使得整個冬季也未出現管路凍損問題，解決了冬天管路結凍問題。

3)雙循環冷卻水系統滿足了現場真空爐對冷卻水的使用要求，使得整個熱處理生產能夠順利開展。