鑄造工業的感應加熱第十一講 感應熔煉電爐的循環水冷系統

李韻豪

編者按：本刊從2020年第1期開始連續12期連載李韻豪撰寫的《鑄造工業的感應加熱》系列講座，主要涉及目前鑄造工業應用最多的中頻無心感應電爐，介紹各類鑄鐵、鋼，以及有色金屬中鋁、銅及其合金感應熔煉爐和保溫爐的選型，電爐的設計以及感應器參數的計算；金屬坩堝、石墨坩堝的設計以及感應器參數的計算；專題討論感應電爐的供電系統及變頻電源主電路的計算、諧波治理和功率因數提高問題；各類無心感應電爐的耐火材料、筑爐工藝、感應電爐循環水系統的設計；感應電爐的環境因素、電氣電磁安全防護、環境保護問題等，內容濃縮了作者幾十年的寶貴從業經驗，對鑄造工廠感應電爐熔煉設備的規劃、選型、操作、維修和管理，提供非常實用的參考與借鑒，敬請關注。

應達（中國） 供圖

1 感應熔煉電爐循環水冷系統的作用

感應熔煉電爐感應器線圈，變頻電源的SCR與IGBT半導體器件、平波電抗器、電感、電阻元件，以及電熱電容器、匯流排、柔性電纜等大電流母線，這些高電流密度的導電體，在運行中會產生大量的熱，而這些熱必須通過冷卻水帶走。水冷系統是感應熔煉電爐設計和應用中的重要環節，也是在某些鑄造廠生產現場容易被人們忽視的一個環節。

水冷系統是以水為散熱介質的一種給水系統。這個系統由換熱裝置、水泵、管路及其他相關設施組成。

水的散熱分為蒸發散熱、接觸散熱和輻射散熱。

水的蒸發散熱可用分子運動理論解釋。水分子的動能大小各異，使得各分子的運行軌跡不規則，運動速度也不同。動能大的分子克服水的內聚力，可逸出水面進入空氣中，這個現象稱之為蒸發。蒸發與沸騰不同：蒸發是任何溫度下都可能發生，而發生部位只在水面，是緩慢汽化現象，影響因素與水溫、表面積、表面空氣流速等有關。而沸騰只是在一定溫度下發生，發生部位在水的內部和表面，汽化劇烈，影響因素只與氣壓有關。水的冷卻，是由于隨著動能大的水分子離開，剩余的水分子平均動能減小，水溫隨之降低。因此，水的蒸發散熱并不是在水沸騰時才出現，自然界更多的蒸發散熱都是在低于水的沸點情況下發生的。通過兩個措施可使水的蒸發散熱提速：增加熱水與空氣的接觸面積。接觸面積越大，水分子逸出去的機會越多，蒸發散熱也就越快；一定的風量、風速使水與空氣接觸面空氣流動加速，使從水面逸出的水蒸汽分子迅速擴散到空氣中去。

水的接觸散熱。當熱水水面與空氣接觸，水溫高于空氣溫度時，水的熱量經接觸傳導給空氣，空氣靠近水面的溫度上升，使得水面以上空氣溫度不均勻，熱、冷空氣之間就產生對流散熱作用，直至水面溫度與空氣溫度一致時，傳導散熱中止。傳導和對流是同時發生、同時中止的。

水的輻射散熱。水溫高、水體表面積大（如大面積冷卻水池），輻射散熱才有效果。它的散熱不需要傳熱介質，是一種由電磁波形式來散熱的現象。

水冷系統是由水的蒸發散熱、接觸散熱、輻射散熱三個過程共同作用而形成。蒸發散熱和接觸散熱哪一種方式占主導地位，由水與氣的溫差決定。我國大部分地區除冬季外，水與氣的溫差較小，以蒸發散熱為主。尤其是夏季，蒸發散熱占總散熱量的80%～90%，接觸散熱僅占10%～20%。而冬季，水與氣的溫差大，蒸發散熱減小，因此接觸散熱上升到主導地位，自然冷卻也能達到散熱的目的[1，2]。

感應熔煉電爐冷卻系統用水作為換熱的冷媒介質，是與水自身具有的異常特質分不開的。

1）水的內聚力是一般液體的10倍左右，要改變水的物態就需要更多的熱量和更高的溫度才能克服它的內聚力。將1kg水的溫度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的熱量為4.1868kJ,也就是說，水的比熱容為4.1868kJ/（kg·℃），即1kcal/（kg·℃）。它的比熱容是同等體積空氣比熱容的3300倍。水的汽化熱大，將1kg0℃的水變為0℃的水蒸汽時所吸收的熱量定義為水的汽化熱。0℃時，水的氣化熱為2500kJ/kg（這個數量是其他液體的4～12倍、氣體的6倍）。它意味著1kg0℃的水，將1kg中的1%的水量蒸發掉，可將1kg水的水溫降低6℃。

2）感應熔煉電爐水冷系統冷卻水溫上限與水的沸點相距甚遠。在水冷系統的水溫范圍內，冷卻水雖然也存在體積脹縮，但并不明顯。

3）水的穩定性好，通常不會分解。

4）水的流動性好，便于輸送和分配。

5）水質、水溫控制容易。

6）價格低廉，容易獲得。

2 感應熔煉電爐對冷卻水的要求

2.1 冷卻水進水溫度和出水溫度與允許溫升

所謂進水溫度、出水溫度是指感應熔煉電爐各用水單元的進水和出水溫度。冷卻水的溫升等于感應熔煉電爐用水單元出水溫度與進水溫度之差。進水溫度范圍和允許溫升是水冷系統設計的基本參數。

變頻電源、電熱電容器、大電流母線的進水溫度為5～35℃，冷卻水的溫升不超過20℃。之所以把電熱電容器、大電流母線與變頻電源供水放在一起，是因為一旦因停電或其他原因斷水，應急供水系統只需要給感應器線圈供水，而不必為變頻電源、電熱電容器、大電流母線應急供水。

感應器線圈水溫要求：單回路循環系統及雙回路循環系統的外回路，進水溫度5～35℃，出水溫度＜55℃，在最高進水溫度下允許溫升＜20℃。雙回路循環給水系統的內回路，進水溫度15～45℃，出水溫度＜65℃，在最高進水溫度下允許溫升＜20℃。

對于要求防止空氣中水蒸汽冷凝在元件內外表面上，進水溫度下限應適當提高，必要時應設置進水加熱裝置和溫度控制裝置。感應器線圈出水溫度不應低于環境溫度。過低的水溫會使線圈銅管表面結冷凝水而影響絕緣。因此，在爐襯燒結或開爐初期應減小冷卻水流量。

變頻電源進水溫度范圍及溫升要求按J B/T 8669—1997執行，按這個標準，變頻電源的出水溫度最高將達到55℃。其實，不少變頻電源生產廠家將冷卻水的出水溫度規定的要低很多。對冷卻水的水溫要求，英國文獻“感應電爐的冷卻水系統”（來源：《Bsitish Toundsyman》，1977年第2期）認為：變頻裝置、電熱電容器、大電流母線等裝置的冷卻尤為重要，感應器線圈冷卻水的溫度一般允許比變頻電源、電熱電容器等高一些。感應器線圈中冷卻水溫度的上限建議在60～70℃（這也恰好是許多塑料、橡膠管的極限溫度），但變頻器、電熱電容器容許溫度為20～25℃以下（原文如此）[3]。

2.2 水壓

平時我們所說的水壓，都是表壓。所謂表壓，就是管道壓力，是安裝在用水單元進水口位置的水壓表測出來的壓力值。表壓又稱為相對壓力，它以大氣壓力為起點，直接作用于物體表面的壓力稱為絕對壓力。絕對壓力值以絕對真空作為起點，表壓加上當地大氣壓（一般加一個標準大氣壓0.101 325MPa即可)。表壓＝絕對壓力－一個標準大氣壓。如果以MPa為單位，表壓＝絕對壓力－0.101 325MPa。

變頻電源水壓0.2～0.3MPa；感應器線圈水壓、單回路循環系統、雙回路循環系統外回路的水壓0.2～0.3MPa；雙回路循環水系統的內水路水壓0.3～0.7MPa。

2.3 冷卻水的水質要求

衡量感應熔煉電爐冷卻水水質主要的指標有三個：總硬度、電導率和懸浮性固體。

（1）總硬度 冷卻水中鈣、鎂金屬離子的總濃度稱為硬度。硬度分為碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度。總硬度就是兩者的集合。由于硬度并不是由單一的金屬離子或鹽類形成的，為了有個統一的比較標準，有必要換算為另一種鹽類，感應加熱設備冷卻水使用的總硬度單位，通常用CaO質量濃度表示。硬度單位還有德國度（），即每升水中占有相當于10mgCaO的鈣鎂離子稱為1。目前，相關文獻當中表征冷卻水硬度的單位很不統一，表1提供了常用硬度單位換算。

感應熔煉電爐設備冷卻水總硬度指標：單回路循環系統總硬度，帶電體CaO質量濃度＜10mg/L（水）、非帶電體CaO質量濃度＜60mg/L（水）；雙回路循環系統的外回路CaO質量濃度＜60mg/L（水），內回路CaO質量濃度＜2.5mg/L（水）。

（2）電導率 由于冷卻水中的溶解鹽類都是以離子狀態存在的，因此具有導電能力，所以電導率可以間接表示出冷卻水中溶解鹽類的含量。

冷卻水的導電性能與水的電阻值R有關。

式中 R——水的電阻值（Ω）；

ρ——水的電阻率（Ω·m）；

F——電極的垂直截面積（m2）；

L——兩電阻之間的距離（m）。

電導的符號為G，單位為S（西門子），R的倒數為G，則電導與電阻的關系方程式為：

式中 G——水的電導（S）；

電阻率ρ的倒數為電導率σ，即σ＝1/ρ，單位為S/m（西門子/米）。

電導率1/ρ與冷卻水含鹽量CN的關系：1/ρ＝CN/66.5。含鹽量CN的單位為mmol/L。

感應熔煉電爐循環冷卻水的電導率過高帶來的電解，會導致水冷系統和各用電單元金屬產生腐蝕。關于金屬腐蝕速率，GB/T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》中規定：銅合金、不銹鋼設備為0.005mm/a；碳素鋼設備由過去（1995年）的0.125mm/a，修訂為0.075mm/a。以金屬腐蝕失重而算得的年平均腐蝕速率設計規范的提高，對感應熔煉電爐冷卻水的電導率也提出了更為嚴格的限制要求。

感應熔煉電爐冷卻水的電導率與其工作電壓有關：工作電壓為1kV時，水的電導率為0.05S/m；工作電壓為1～2kV、2～3kV時，水的電導率分別為0.016 67S/m、0.007 4S/m。

GB/T 10067.1—2019《電熱和電磁處理裝置基本技術條件 第1部分：通用部分》對冷卻水的電導率也作了相應的規定，即為0.05S/m，但沒有規定工作電壓條件。當含鹽量大于3.33mmol/L時，冷卻水的電導率1/ρ即大于0.05S/m。

表1 常用硬度單位換算

GB/T 3984.1—2004/IEC60110-1:1998（IDT）《感應加熱裝置用電力電容器 第1部分：總則》規定了水冷電容器冷卻水出口溫度和流速。冷卻水在力學與光學上應是清潔的，而在化學上應是中性的。為限制泄漏電流，對直接冷卻帶電部件的電導率作出了具體規定。

由于冷卻水中電導率1/ρ超標，流出的帶電冷卻水的泄漏電流將增大。當用它來冷卻導電體時，冷卻水系統出水口對地也就有一定的電位，當這種電位超過安全范圍時就應采取降低電位的措施。JB/T 8669—1997《中頻感應加熱用半導體變頻裝置》規定：用水冷卻帶電元件或部件，應按其電壓選擇冷卻水管的直徑長度及其材料，應把泄漏電流限制在20mA以下，即在感應器線圈的輸出端加裝絕緣軟管。當帶電的冷卻水通過絕緣軟管時，水的電阻使泄漏電流降到20mA以下。根據經驗，每1kV電壓應配置1m長的絕緣軟管。

感應熔煉電爐的故障乃至全部感應加熱系統的故障，多達90%與冷卻水有關，這幾乎成為業內的共識（據Ajax Tocco Magnethermic 公司ASM熱處理會議上的報告）。而電導率超標的冷卻水往往是這些故障的罪魁禍首卻鮮有人知。多數情況下，現場晶閘管（SCR）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等器件“燒管子”，對個別缺乏經驗的調試人員來說，一般不會把產生故障的原因與冷卻水電導率超標聯系在一起。

（3）冷卻水的總固體 冷卻水固體包括溶解性固體和懸浮性固體，兩者之和稱為總固體。溶解性固體是指水經過濾后仍溶于水中的各種無機鹽類物質、有機物等；懸浮性固體是指那些可過濾掉、不溶于水中的淤泥（如泥沙）、腐蝕產物（如氧化鐵皮）、有機物和生物沉積物（如微生物黏泥）等懸浮物質。GB/T 10067.1—2019 《電熱和電磁處理裝置基本技術條件 第1部分：通用部分》規定的冷卻水總固體含量標準：溶解性固體＜300mg/L、懸浮性固體＜10mg/L。

除了上述三項指標，與冷卻水水質相關的指標還有pH值7.0～8.5（pH值高時，水質呈弱堿性，對過水管的防腐蝕有好處。當pH＞7時，CaCO3等向冷卻水管內的析出量增加，此析出膜有防腐蝕作用；當pH值＞8時，鋼管內會產生鐵銹；當pH值＜6時，會對銅管產生腐蝕），堿度＜60mg/L， 氯離子平均＜60mg/L（最高＜220mg/L）， 碳酸離子＜100mg/L，全鐵＜2mg/L，可溶性SiO2＜6mg/L等[4-6]。

3 感應熔煉電爐冷卻水流量的計算

3.1 感應器冷卻水流量

感應熔煉電爐感應器線圈的發熱量有兩個來源：一是感應器線圈損失功率ΔP1，即所謂的“銅損”，在電流流經感應器線圈時產生的熱；二是被加熱爐料的熱穿透爐襯到達線圈所致。前者產生的熱量遠大于后者，故計算冷卻水流量時將穿透爐襯折算的熱損失功率忽略。感應器線圈的熱損失功率用ΔP表示。

式中 ΔP——感應器線圈熱損失功率（kW）；

P——感應熔煉電爐的變頻電源總功率，即額定功率（kW）；

PT——爐料加熱的平均有效功率（kW）；

η——感應器的總效率。

感應器線圈熱損失功率ΔP產生的熱量用水來冷卻。

在計算冷卻水流量時，設冷卻水要帶走額定功率50%的熱量，即ΔP＝0.5P，變頻電源、電熱電容器、大電流母線分別帶走額定功率7.5%、1.5%、1.5%的熱量，而水的溫升不應超過20℃。

式中 ΔP——感應器線圈熱損失功率（kW）；

CS——冷卻水比熱容，CS＝4.186 8kJ/（kg·℃）；

ΔT——感應器的允許溫升（℃），一般取ΔT＝20℃；

K——爐料的熱量透過爐襯影響感應器線圈熱損失功率的影響系數，一般取K＝1.1～1.2。

ηs——冷卻水系統的總效率，取ηs＝1。

冷卻水的理論流量用W表示。

式中 W——冷卻水流量（t/h或m3/h）。因常態水（在一個標準大氣壓下0.1013MPa、3.98℃的清水）的密度γy＝1t/m3，由于1m3/h×1t/m3＝1t/h，故1t/h＝1m3/h，其中1t/h為重量流量，1m3/h為容積流量；

G——冷卻水重量（t）或容積（m3）；

t——時間（s），t＝1h＝3600s。

整理得：

式中 K——爐料的熱量透過爐襯影響線圈損失功率的影響系數，一般取K＝1.1～1.2。本例，取K＝1.163；

P——額定功率（kW）。

將有關參數值代入式（6），得

3.2 變頻電源、電熱電容器、大電流母線冷卻水流量

在水的溫升不超過20℃，變頻電源、電熱電容器、大電流母線分別消耗額定功率P的百分比為：

用上述同樣的方法可推導出變頻電源、電熱電容器、熱大電流母線的冷卻水流量分別為：

為方便計算，往往將三者合一，用W表示，則

后面我們提到變頻電源冷卻水的流量都是包括電熱電容器和大電流母線的冷卻水的流量。用式（14）計算出的冷卻水流量是理論數據，向水冷設備生產廠家提供的冷卻水流量，往往將這個計算出來的理論數據再乘以一個安全系數。水冷設備生產廠家是根據這個數據進行選型和設計的。

感應器線圈的冷卻水流量W一般乘以1.5～2.0倍安全系數，而變頻電源、電熱電容器、大電流母線的冷卻水流量W則要乘以3.0～5.0倍安全系數，即

式中 Q——感應器線圈冷卻水實際流量（m3/h或t/h）；

Q——變頻電源、電熱電容器、大電流母線冷卻水實際流量（m3/h或t/h）。

爐子額定功率大時取安全系數下限，反之取上限；水冷系統現場條件較好時，取下限，反之取上限。這個安全系數的最終確定還應考慮水冷裝置生產廠家的設計、制造工藝水平等因素。式（15）、式（16）也可以作為選泵確定流量時的依據。

以第三講3600kW、300Hz額定容量6t灰鑄鐵感應熔煉電爐為例，循環水冷系統流量設計，變頻電源理論流量W＝0.005×3600m3/h＝18m3/h，向水冷設備生產廠家提供的流量為54～90m3/h，本例取72m3/h。爐子感應器線圈的理論流量為W＝0.025×3600m3/h＝90m3/h，向水冷設備生產廠家提供的流量為135～180m3/h，本例取157.5m3/h。

4 感應熔煉電爐循環水冷系統設計

循環水系統包括濁環水系統和凈環水系統。凈環水系統與濁環水系統區別在于冷卻水不與線圈水冷套及管路之外的被冷卻對象直接接觸，經循環使用后僅水溫升高，可通過換熱裝置散熱并對水質進行必要處理。鑄造廠感應熔煉電爐的循環水冷系統屬于凈環水系統。

4.1 循環水冷系統設計規范

循環水冷系統關系到感應熔煉電爐裝置的運行安全，系統的設計必須遵循相關的國家標準和專業標準。

1）GB/T 10067.31—2013《電熱裝置基本技術條件 第31部分：中頻無心感應爐》第5.2.9條“水冷系統”規定，感應熔煉電爐的循環給水系統可采用開放式或密閉式，水冷系統應設有水溫、水壓監測和安全聯鎖報警裝置，各支路還應設置流量調節閥。

GB/T 5959.1—2019/IEC 60519-1：2015（IDT）《電熱和電磁處理裝置的安全 第1部分：通用要求》第10.5條“冷卻”中規定了部件在采用強制冷卻因冷卻不足可能引起危險的地方，以及應采取的措施，并指出閉合冷卻回路（密閉式循環冷卻系統）可降低環境污染風險，減少冷卻劑的消耗。

2）循環水冷系統的水路應適當分支，并能集中控制、分別調節，便于監測各支路的出水情況。感應熔煉電爐用水單元的各部分應能得到盡可能均勻的冷卻，特別是高溫部位應得到快速有效的冷卻。

3）為保證系統可靠運行，應設置兩臺循環供水水泵，一用一備。

4）GB/T 10067.32—2013《電熱裝置基本技術條件 第32部分：電壓型變頻多臺中頻無心感應爐成套裝置》第5.2.4條指出：由于變頻裝置和爐子對水冷系統水質和進出水溫度要求不同，故應把它們分為兩個獨立的水冷系統。爐子的水冷系統應采用單回路循環給水系統，必要時應配置外水冷（如冷卻塔等）設備。

5）JB/T 8669—1997《中頻感應加熱用半導體變頻裝置》（1998年實施，2010年復審，現行有效）。該標準適用于頻率50～10 000Hz半導體器件（晶閘管或功率晶體管）構成的變頻電源。第3.4.9條規定了變頻電源對冷卻水的進水壓力、進水溫度、溫升及水質的要求，提出了對泄漏電流的要求，水冷系統能承受的壓力，避免產生汽化，特別強調應采取限制腐蝕作用以及沉積物和氣體形成的措施，因此采用去離子水的循環裝置是非常必要的。第4.5條水冷系統的試驗，規定了水壓的試驗和冷卻水量的測量。

6）GB/T 1067.1—2019《電熱和電磁處理裝置基本技術條件 第1部分：通用部分》第5.1.4.3條“水路設計”規定了水路設計的一般原則，對水質、水溫、水壓的要求，提出了供水安全保障。對正常供水有可能中斷的情況，用戶應設置備用水源，以免發生裝置和人身事故。感應熔煉電爐允許最長斷水時間不超過1min。感應器線圈冷卻回路的主泵出口處必須裝有水壓開關。如停電、斷水，用來控制以下措施的其中之一：① 由蓄電池供電的直流電動機驅動的應急水泵或由柴油機（汽油機）驅動的應急水泵立即投入工作。② 接通不受停電影響的自來水管路或與壓縮空氣管道相連（壓縮空氣作為冷卻介質用）。不可采用高位水箱放水冷卻。有些文獻介紹，高位水箱應不小于感應器支路0.5h的耗水量，這是針對透熱感應器來講的。這個容量對感應熔煉電爐來講是遠遠不夠的。爐子容量大小和爐料溫度不同，爐體冷卻有時可能需要數小時甚至十幾個小時。

7）指望通過補充新鮮冷卻水使電導率保持在規定的水平幾乎是不可能的，應根據冷卻水電導率情況，每12個月或更短時間對循環水全部更新一次。

8）冬季寒冷地區防凍問題。冷卻介質可根據當地氣候條件（氣溫）按一定比例給去離子水里添加低電導率的乙二醇（工業級，不含抗氧化劑和其他添加劑），并注意因乙二醇的添加會使冷卻介質“黏稠”而影響冷卻效果。

9）系統中所有柔性的水冷電纜、冷卻水管均需采用不含碳原子材料制成的無碳絕緣膠管。

10）循環水冷系統總出水管路及各用水單元安裝帶有智能積算儀的熱磁數字計算表，對循環水系統的壓力、流量、水溫等參數及相關運行狀態進行監測和必要的保護，以實現對系統運行的精細化管理。需要強調的是，循環水冷系統總出水管路及各用水單元只有水壓保護是不夠的，因為水壓保護對于流量不足起不到保護作用，所以必須同時設置流量保護裝置。

11）循環供水水泵出口應設置自清洗過濾器，以攔截循環水中溶解性固體和懸浮性固體。在用水單元入口處也應安裝過濾器，作為攔截總固體的最后一道防線。

系統中應設置補充新水處理裝置，處理流程：工業用水→凈水器（包括混凝、沉淀、過濾等單元）→軟化裝置（離子交換器等）。

系統中還應設有阻垢緩蝕劑、殺菌劑等加藥裝置，加藥種類、投放量應根據動態模擬試驗和技術經濟指標比較后確定。

12）GB/T 10066.1—2019《電熱和電磁處理裝置的試驗方法 第1部分：通用部分》第9.13條、第9.14條規定了冷卻液（水）流量以及溫升的測量。

GB/T 10066.3—2014/IEC 62076：2006（IDT）《電熱裝置的試驗方法 第3部分》第5.2條、第5.3條、第5.4條分別規定了冷卻水回路的密封性試驗、流量試驗和溫升試驗規范。

4.2 循環水冷系統類型與選擇

（1）感應熔煉電爐冷卻系統類型 水冷卻系統分為兩大類：直排系統和循環系統。

1）直排系統：直排水冷改為循環水冷，且濃縮倍數為3倍時，同樣的冷卻效果可節約補充水約97%。直排系統用水量大，水的處理量也大，因此水處理成本高。如用化學方法處理，排出的水會造成水體的污染。如果采用地下水，易使設備凝露而造成故障。因此，直排給水系統早已淘汰。

2）循環系統：分為單回路循環系統和雙回路循環系統。單回路循環系統又分為敞開式和密閉式兩大類。雙回路循環系統中有熱交換器，水路分為內回路和外回路。內回路流通的水是軟化水或蒸餾水，用來冷卻電熱設備，外回路通過熱交換器冷卻內回路水。內回路一般都采用密閉式，而外回路可根據用戶具體條件和要求或采用敞開式，或采用密閉式。目前，外回路多采用敞開式。

（2）循環水冷系統的選擇 鑄造廠投資感應熔煉電爐設備時，對于配套的循環水冷系統的投資比例往往不多，而電爐生產廠家要說服用戶把更多的資金用在循環水設備上是很困難的。因此，電爐生產廠家要根據用戶熔煉電爐的額定容量（額定功率）、作業方式、當地地理氣象條件以及資金情況，在水冷設備生產廠家配合下，協助用戶制定出合理、性價比高的水冷系統方案。對于相同熱負荷來說，單回路敞開式、密閉式以及雙回路系統的資金投入是不一樣的。綜合性能、價格等諸因素，三種方式其實各有利弊，這也是為什么密閉式冷卻系統和雙回路系統雖有更顯著的優點，但是單回路敞開式冷卻系統仍在被許多用戶選擇的一個原因。

4.3 循環水冷系統的設計

（1）單回路敞開式循環水冷系統

1）單回路敞開式循環水冷系統包括：冷卻塔、冷卻水池、循環水泵、補給水系統、應急水系統、管道和閥門部件、冷卻水過濾裝置及控制裝置等。

敞開式循環冷卻系統的冷卻水通過電熱設備后水溫升高，高溫水經過敞開式冷卻塔曝氣與大氣接觸。由于水的蒸發散熱與接觸散熱使水溫降低，冷卻后的水再循環使用。因為蒸發的水是不含鹽分的，所以蒸發過程中循環水中鹽含量不斷增加，即所謂濃縮。濃縮會帶來腐蝕、結垢。水在冷卻塔與空氣充分接觸帶來溶解氧增加，二氧化碳逸出，又使腐蝕、結垢加劇。冷卻塔本身也是一個空氣洗凈器，因為許多空氣污染物都能溶于水中，而不溶于水的灰塵微粒從空氣中被沖到水中，所以最后造成管路阻塞。這種敞開式系統會使溶解性固體和懸浮性固體增加。

針對敞開式循環系統的特點，設計時應注意以下幾個方面：①監測水的電導率，如果超標則需補充、更換冷卻水或補充去離子水。②使用添加劑，使冷卻水軟化，降低硬度以減少水垢。③加入阻蝕劑或控制水垢生產的化學物質，減少腐蝕。④注意對循環水的過濾。⑤合理選擇管件等材質，以減少原電池作用。

2）冷卻塔的選擇。敞開式循環系統的冷卻塔一般應選用機械通風逆流式冷卻塔，逆流式冷卻塔熱水由上而下，冷空氣由下而上，在塔內形成對流。這種冷卻塔相對橫流式、逆橫流式熱交換效率較高，水與空氣逆流接觸是最好的方式，可以充分發揮空氣的蓄熱能力，得到了大的焓差。

采購冷卻塔時向冷卻塔生產廠家提供的主要數據：①用水單元的冷卻水耗量。冷卻水耗量＜500m3/h時，一般都采用逆流式機械通風冷卻塔；冷卻水耗量＞500m3/h時，多采用單臺或多臺并聯機械通風橫流式冷卻塔，或者逆橫流多臺組合機械通風冷卻塔。②水溫。冷卻塔進塔水溫（感應熔煉電爐用水單元出水水溫）t1和出塔水溫（感應熔煉電爐用水單元進水水溫）t2之差，用Δt表示，Δt＝t1－t2。冷卻塔行業將Δt＝5℃定為低溫塔；Δt＝10℃定為中溫塔；Δt＝20℃定為高溫塔。感應熔煉電爐各裝置的允許溫升在最高進水溫度下＜20℃，故冷卻塔為高溫塔。其實只要Δt≥11℃，冷卻塔生產廠家就以高溫塔來設計。③鑄造工廠所在地的氣象參數。影響水冷效果的主要有干球溫度、濕球溫度、相對溫度這3個數據。這些數據可以在手冊中查到，冷卻塔生產廠家有這些資料，選用設計氣象參數應與所在地氣象參數基本一致，或優于所在地氣象參數，以保證冷卻效果。以上海地區設計的氣象參數為例：干球溫度為31.5℃，濕球溫度為28℃，相對應的大氣壓力為753mmHg（1mmHg＝133.322Pa），風速為1.58m/s。目前，華東地區（除山東省部分地區外）的冷卻塔設計基本采用上海的氣象設計參數。用這個參數設計出來的冷卻塔，完全適用我國北方地區，而且冷卻效果更好。④現場場地與冷卻塔位置的標高。

3）循環水池的設計。循環水池在感應熔煉電爐敞開式循環水冷系統中是必不可少的，它起著儲存和調節水量的作用。循環水池的容積除滿足水泵吸水條件所需要的基本容積外，還需要考慮所有過水容器的空間體積，如水泵系統管路、設備的儲水容積、換熱器中的容積以及一定的安全裕量。根據國內外有關循環水池容積的設計資料統計，循環水池的容積約為循環水小時流量值(m3或t)的1/5～1/3。國內現場運行經驗表明，在此范圍內的循環水池容積可滿足循環水處理藥劑在系統內停留時間的要求。水池容積過小，水在系統內每小時的循環次數會增加，水被加熱的次數就增多，藥劑被分解的概率就越高。水池容積過大，則藥劑在系統中停留時間過長，藥劑分解的概率也高，初始投藥量也多。循環冷卻水在系統中的設計停留時間不應超過阻垢劑、緩蝕劑等藥劑的允許停留時間。對于沒有藥劑停留時間要求或對循環水池有其他儲備水量要求的情況，宜根據具體條件來確定水池的容積。

循環水池設計要點：①水池凈深可為2.0m。當水池有其他儲備水量要求時，深度可適當增加。一般凈深設計為1.2～1.5m。確定水池凈深就可根據容積求出水池面積。水池寬度、長度可根據現場情況來定，但制定水池寬度要考慮應大于冷卻塔百葉窗的外緣尺寸。②水池應設熱水區、冷水區。熱水區面積占1/3，冷水區面積占2/3。設備用水單元返回的熱水流入熱水區。熱水區可設沉淀隔擋。熱水區底部設有集水坑，坑深0.3～0.5m。為便于排污和放空池水，池底應設≥0.5%坡度的坡向集水坑。冷卻塔置于冷水區上方。③循環水池的容積不同，且進出水量不等會造成冷熱水區水位不均衡而形成冷熱水區水位差，因此冷熱水區必須貫通，貫通方式有兩種：一種是在水池正常水位以上貫通，當一方水位超過正常水位以上一定高度時，溢流到另一水池，這樣不會造成一側水外溢，但兩池可能存在水位差；另一種是在兩池底部貫通，這個方案既可以防止一側水外溢，也消除了兩池的水位差。貫通管的口徑應按最大運行流量計算，如果尺寸不足也會造成冷熱水區水位差。④循環水池四周設回水臺，寬度不小于1m，坡度3°～5°。回水臺外圍應有防止地面水流入水池的措施。

（2）單回路密閉式循環冷卻系統 單回路密閉式循環冷卻系統主要由下列部分組成：①熱交換器（一般安裝在室外），分為噴淋水蒸發形式冷卻、自然通氣冷卻以及強制通水冷卻等三種不同形式的冷卻方式。②循環水泵。③密閉式循環冷卻系統集裝組件主要有膨脹罐（冷卻水膨脹和收縮時進行系統的壓力平衡）、排氣閥、快充減壓閥及泄壓閥等。④密閉式循環冷卻系統的冷卻塔源于蒸發式冷凝器。閉式冷卻塔采用閉式盤管換熱使循環水與外部環境隔絕，從而保證了循環水質的穩定，不受污染，基本上不濃縮，不存在蒸發。所以水量消耗很小，補充水量也很少，基本上無結垢問題。金屬換熱盤管可承受較高的進水溫度和換熱溫差。盤管換熱不易集聚污垢和水垢。添加防凍液的閉式冷卻塔可在極低的室外氣溫下運行。密封式循環冷卻系統主要存在問題是腐蝕問題。一是氧腐蝕，另外是電偶腐蝕（又稱接觸腐蝕、雙金屬腐蝕）。

（3）雙回路循環給水系統 大型感應熔煉電爐較多采用雙回路循環給水系統。它是把單回路敞開式和密閉式兩種系統的長處結合起來的一種循環水冷系統。

1）外回路。外回路包括：冷卻塔（敞開式循環冷卻系統機械通風逆變式冷卻塔或密閉式循環冷卻系統冷卻塔）、循環水池（如果采用密閉式循環冷卻系統冷卻塔可不用循環水池）、循環水泵及管路等。

2）內回路。內回路包括：感應熔煉電爐感應器線圈及變頻電源等用水系統、熱交換器（多為板式換熱器）、循環水泵及管路等、水處理裝置、應急水冷系統及內回路補水系統。

雙回路循環系統給水系統內回路的熱交換器包括有管殼式換熱器和板式換熱器。早期的換熱器多為管殼式，但在為感應熔煉電爐配套的換熱器中多采用板式換熱器。

板式換熱器與管殼式換熱器相比，板式換熱器具有以下特點：①傳熱系數高。在雷諾數Re為50～200的情況下，就可以產生紊流。換熱系數為3488.37～4651.16W/（m·K），在相同流動阻力和泵功率消耗情況下，是管殼式的3～5倍，對數平均溫差大，末端溫差小，水的換熱可低于1℃，而管殼式為5℃。②占地面積小。同樣的換熱量，占地面積為管殼式的1/8～1/5。③重量輕。一般只有管殼重量的1/5。④易加工，易清洗，熱損小，不易結垢。由于內部充分湍動，故不易結垢，其結垢系數僅為管殼式的1/10～1/3。⑤使用壽命長。采用不銹鋼、鎳合金、鈦合金及哈氏合金等耐腐蝕材料壓制，膠墊等可更換。板式換熱器的極片之間的間隙較小，上面有凹凸，因此比管殼式的單位長度壓力損失大。板式換熱器采用密封墊密封，工作壓力超過2.5MPa，介質溫度250℃以上才有可能發生泄漏。這些問題對感應熔煉電爐這種壓力、水溫的供水系統都不是問題。

板式換熱器的型式主要有框架式（可拆卸式）和釬焊式兩大類。感應熔煉電爐雙回路循環系統內回路用的板式換熱器一般都采用帶密封墊片的可拆卸式。

世界上第一臺感應熔煉電爐和第一臺板式換熱器的研究工作都起步于19世紀70年代。意大利人于1871年發表了第一份感應熔煉電爐的專利。板式換熱器的發明專利由法國人于1878年公布。到20世紀20年代，板式換熱器已經開始在工業中得到應用。近幾十年來，雙回路循環系統作為內回路的熱交換器，板式換熱器已成為電爐生產廠家配套的首要選擇。

板式換熱器選型是雙回路循環系統用戶關心的問題。板式換熱器生產廠家在某種型號設計出來后，往往對該型號的熱工性能并無定量的數據。這很正常，因為換熱介質的溫度隨時在變化，影響傳熱系數的因素很多。廠家一般都是采用以傳熱和壓降準則方程式為基礎的設計計算方法進行板式換熱器的選型。當然，該準則方程式的準確度取決于廠家試驗水平及試驗工況與現場運行工況兩者的吻合度。板式換熱器的用戶應向廠家提供以下數據：使用地海拔高度、緯度、內回路冷卻水流量、水質；進出（板式換熱器）外回路/內回路循環水的溫度、溫升以及冷卻水在板式換熱器內的水壓降等。水壓降是重要數據，它直接影響板式換熱器的大小，但多數用戶難以提供。在用戶不能提供的情況下，板式換熱器生產廠家一般根據經驗，在0.02～0.1MPa之間選取一個值進行選型時的計算。

使用板式換熱器應注意以下幾個問題：板式換熱器板片間通道很窄，一般只有2～5mm，對進入板式換熱器冷卻水的總固體含量應控制在相關國家標準規定的范圍內；板式換熱器由不同的波紋板（人字紋）相互倒置，構成復雜的流道，使水在波紋板間流道內呈旋轉三維流動，在較低的流速下即可產生強列的湍流；片面強調高傳熱系數而提高水壓、增加流速會導致水壓降增大；選型時應考慮結垢后熱阻影響換熱的因素。

4.4 循環水冷系統設計采用的標準

感應熔煉電爐循環水冷系統設計主要參照以下標準：GB/T 50102—2014 《工業循環水冷卻設計規范》；GB/T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》 ；GB 50015—2019《建筑給水排水設計規范》；GB/T 50106—2010《建筑給水排水制圖標準》；GB/T 50013—2018 《室外給水設計標準》。

5 感應熔煉電爐循環水冷系統應用舉例

5.1 美國Ajax公司為國內某鑄造工廠21t工頻感應熔煉電爐配套的循環水冷系統

（1）冷卻水技術條件

1）為兩套感應器線圈、工頻電源組、工頻變壓器供應冷卻水。冷卻給水→每臺設備水量2×12m3/h，水溫37℃→工頻爐感應器→壓降0.21MPa→溫升17℃→冷卻排水；冷卻給水→每臺設備水量2×2m3/h，水溫37℃→工頻電源組→壓降0.21MPa→溫升17℃→冷卻排水；冷卻給水→每臺設備水量2×2m3/h，水溫37℃→工頻變壓器→壓降0.21MPa→溫升17℃→冷卻排水。

2）水質要求：總硬度（以CaO表示）≤100mg/L；溶解性固體總量≤200m g/L；懸浮性固體總量≤200mg/L；電導率0.01～0.003S/m；pH值7～9。

水溫控制標準：進水溫度37℃，出水溫度54℃。

（2）冷卻水系統設計數據 采用單回路閉式循環水冷系統。系統水量為32m3/h。循環水泵設計供水能力35m3/h。富余供水能力3m3/h，約為系統循環冷卻水量的9%。循環水泵設計供水壓力0.47MPa，其中工頻爐冷卻水壓力損失約0.21MPa，管道及附屬設施壓力損失約0.21MPa，富余水壓0.05MPa。工頻爐冷卻水溫升17℃，閉式冷卻塔溫降18℃，富余水溫差1℃。

（3）冷卻水系統主要設施 封閉式循環水冷系統主要包括閉式冷卻塔、循環水泵等。為保證各用水單元均衡用水，監控各冷卻單元工作狀態，在各冷卻單元進、出管路上安裝水壓表、水溫計、調節閥等[7]。

5.2 日本某公司為2500kW、500kW變頻電源配套的循環水冷系統

1）冷卻水質量條件：在60℃以下冷卻水應不含沉淀物和雜質，而能通過50目過濾網為準（目數就是過濾網每平方英寸上的孔數目。50目就是每平方英寸上的孔眼有50個。它同時用于表示能通過過濾網的顆粒的粒度。粒度一般用等效體積顆粒的計算直徑來表示。由于編織過濾網絲的粗細不一，各國同樣粒度對應的數目也不一樣。日本標準50目，對應的粒徑為0.300mm。美國標準與日本相同，50目對應的粒徑也為0.300mm，而英國標準為52目，我國的標準為60目）。

2）水壓：在變頻電源進水口水壓為0.3～0.4MPa。

3）水溫：0～32℃，不致水結冰。

4）流量：2500kW變頻電源時，流量最小值為24m3/h；500kW變頻電源時，流量最小值為9m3/h；總流量最小值為35m3/h。以上只是變頻電源主機冷卻水流量值，電熱電容器及大電流母線冷卻水流量未計算在內。

5）水冷系統外回路用水：工業水；內回路用水：純凈水（脫離子水）。

6）冷卻體：熱交換器，設置于純凈水與工業水之間。包括有純凈水供水水泵、離子交換器等。

5.3 美國應達公司為國內某鑄造工廠6000kW/300Hz/12.5t感應熔煉電爐配套的循環水冷系統

（1）冷卻水技術條件

1）變頻電源冷卻水：電導率0.001S/m（最大）；50%去離子水-50%低電導率乙二醇。

2）爐體冷卻水：電導率0.08S/m或更小；硬度56.08mg/L或更小；pH值7.0～8.0；懸浮顆粒10mg/L或更小；50%水-50%低電導率乙二醇。

以上低電導率乙二醇為工業標準級，不含抗氧化劑和添加劑，具體混合比例視當地氣候條件來定。

3）液壓系統冷卻水由爐體冷卻水或由獨立的城市水源供給。

4）循環水池冷卻水硬度84.12mg/L或更小；懸浮性固體10mg/L或更小；pH值7.0～8.0。

（2）冷卻水系統的設計

1）變頻電源、爐體冷卻水系統主管路長度超過73.152m（240英尺），管徑加大一檔。

2）在回水和進水之間添加一自動閥，當循環水溫過低時，可自動開起，將進水和回水短路，阻止循環水進入換熱裝置，防止進入變頻電源和感應器線圈的冷卻水溫過低，造成水管因冷卻收縮而引起滲漏。

3）所有水冷電纜、冷卻水管均要求采用美國蓋茨公司（Gates）耐壓6000V的無碳絕緣膠管。

4）爐體冷卻水進水分配管裝有水壓表、溫度表、溫度開關、水壓開關、流量開關。出水分配管的各路回水管上裝有熱電耦，由儀表顯示回水實時溫度。

5.4 美國某公司為國內某鑄造工廠鋁合金感應熔煉電爐配套的循環水冷系統

此為密閉式循環水冷系統，由兩臺熱交換器組成。

1）主泵出口處管路裝有水壓開關，用來控制由蓄電池供電的直流應急水泵，停電后水壓下降，水壓開關動作，使直流應急水泵工作，維持爐體繼續冷卻。

2）供水主管路裝有溫控閥和3個溫控開關TS1、TS2、TS3。溫控閥為三通結構。三通結構的A口為主管路進水口，B口不經過熱交換器組，C口通熱交換器組。溫控閥溫度設定在23.9℃。當水溫低于23.9℃時，溫控閥的A口、B口通，水不進入熱交換器。當溫控閥的溫度高于23.9℃時，A口、C口通。水進入換熱器組。安裝在主管路上的溫控開關，TS1設定為34℃，TS2設定為38℃，由這兩個開關分別控制1#、2#熱交換器。當水溫高于34℃時，1#熱交換器的風機開起；當水溫高于38℃時，2#熱交換器的風機開起。TS3設定在50℃，是用于故障報警。當冷卻器出故障，水溫超過50℃時，TS3控制聲光報警[8]。

6 循環水泵、閥門的選擇及管路的設計

6.1 循環水泵的選擇

按國際標準化組織標準ISO 2858端吸式離心泵規定的性能尺寸設計的離心泵稱之為IS型泵。感應熔煉電爐循環水冷系統應選擇這種型式的泵。流量在400m3/h（對應功率約8MW的爐子）以下時選用單級單吸泵，800m3/h（對應功率約16MW的爐子）以上可選用單級雙吸泵。感應熔煉電爐的循環水冷系統一般流量在400m3/h以下為多。這種離心泵多采用臥式（水平軸結構）。臥式泵具有較好的經濟性，便于維修保養，安裝精度要求比立式泵低，適應于供水均勻、穩定的場合。另外，滿足同樣使用參數和要求的臥式泵的系列產品容易獲得。

水泵的工作參數與幾何參數（以下“水泵”均指離心泵）都反映在銘牌上：流量Q（泵在單位時間輸出的水量）、揚程H（單位質量如1kg的水從泵進口到出口所增加的能量J除以重力加速度，也就是水在水泵進出口處的比能差值除以重力加速度，單位是J/（kg·m/s2）。為方便，也可用幾何高度（單位為m）表示。功率P（即軸功率，單位時間內水泵做的功，kW），效率η（水泵有效功率與軸功率之比）。轉速n（葉輪每分鐘轉數r/min）允許吸上真空高度Hs或必須的汽蝕余量（NPSH）。

影響水泵性能的因素主要有流量Q、揚程H、功率P等，三者與泵的效率η的關系如圖1所示。

圖1 流量Q、揚程H、功率P關系曲線

圖1 中，Q-η曲線即流量Q與效率η關系曲線，曲線上最高點為最高效率點M，與M點對應的流量Q和揚程H就是水泵的額定流量Qe和額定揚程He。曲線上a、b段為水泵最佳工作范圍。Q-H曲線為流量Q與揚程H關系曲線。它反映水泵的流量Q與揚程H之間的對應關系。選泵時，流量Q與揚程H只要在該曲線的a、c之間選取，都屬于合理工作范圍。水泵不可能恰好同時在額定流量、額定揚程下工作，它有一個適用范圍，流量Q一般允許在額定值Qe的0.7～1.2倍的范圍內工作。揚程H的范圍稍窄，可在額定值He的0.9～1.05倍的范圍內工作。為使水泵運行有較高效率，實際的揚程H應盡可能與水泵的額定揚程He接近。Q-P曲線為流量-功率曲線，隨著流量增加，功率近似線性上升的一條曲線。通過這條曲線我們理解為什么大型離心泵在出口處設置閘閥，起動前暫時關閉閘閥就是為了減少流量而降低功率，便于水泵的啟動。

水泵的基本參數有兩個，流量Q和揚程H。這兩個參數表征了水泵的工作能力，選泵一般都是從這兩個參數入手。

1）確定水泵流量Q、揚程H：水泵流量Q的確定詳見本講第3節《感應熔煉電爐冷卻水流量計算》。

水泵的揚程以葉輪中心線為基準分吸水揚程（從葉輪中心線至水面垂直高度的揚程）、壓水揚程（從葉輪中心線到感應熔煉電爐用水單元進水口的垂直高度的揚程）。揚程為兩者之和。水泵銘牌上標注的揚程是指水泵本身能產生的揚程，但它不包括管道水流受摩擦阻力而引起的損失揚程。

式中 Hj——計算揚程（m）；

H1——保證感應熔煉電爐用水單元進水的水壓的揚程（m）；

H2——提水高度揚程，即水泵到用水單元進水口的垂直高度（m）；

H3——水泵到用水單元管路阻力損失揚程（m）。

根據水泵揚程與水壓的關系，0.1MPa水壓約等于10m揚程。如果0.2～0.3MPa，所需揚程為20～30m。

H3包括沿途阻力損失揚程（沿管路內壁的阻力損失的揚程集合）及局部阻力損失揚程（水經管路連接件閥門、彎頭等的阻力損失揚程集合）。管路沿途阻力損失揚程的計算比較復雜，現場有時采用表2，可近似得到管路沿途阻力損失的揚程值。

從表2查到的數值乘以管路長度（m）就得到鋼管（或銅管）損失揚程。PVC管的管損揚程約為鋼管（或銅管）的0.7倍。

表2 每米鋼管（或銅管）管路損失揚程

局部阻力損失揚程有時可將閥門或不同角度的彎頭平均每只折合為0.5m的揚程損失。

我國給水泵揚程裕量規定為計算揚程Hj的10%～15%，則額定揚程為

為簡便，可采用經驗式（19）確定水泵額定揚程He，經多年現場驗證，表明用式（19）選擇水泵（離心泵）的額定揚程是完全適合的。

式中 He——水泵額定揚程（m）；

K——揚程選擇經驗系數，取K＝150～200；

M——到達感應熔煉電爐感應器線圈或變頻電源、電熱電容器、大電流母線等用水單元進水口水壓（MPa）。一般為0.2～0.3MPa。

2）確定水泵進出水管的材料及經濟管徑。

3）確定水泵工作及安裝高度。

4）校核水泵的吸水高度，保證安全運行，使水泵有足夠的汽蝕余量[9-11]。

6.2 閥門

閥門是循環冷卻水系統管路的控制裝置，其基本功能是接通或切斷管路冷卻水的流通或流通方向，調節冷卻水的壓力和流量。

我國常用閥門類型代號有12種，分為四大類：截斷類——閘閥、蝶閥、截止閥、球閥、旋塞閥及隔膜閥；調節類——節流閥、減壓閥及蝶閥（原來用于調節流量，現更多用于截斷介質用）；自動類——安全閥、止回閥、疏水閥及排氣閥；分流類——三通閥（用于改變介質流向，起分配、分離、混合介質用，如三通球閥、三通截止閥等）。

閥門在循環冷卻水系統中的應用：

1）進出循環水泵必須有截止閥。

2）進出并聯的供水單元，必須有用于調節冷卻水壓力和流量的閥門。

3）如果系統有儲水箱，與儲水箱接在一起的必須有止回閥。

4）揚程較大的泵，應在出水管路上裝設閘閥和逆止閥。

5）空氣的熱導率低，氣體在循環水管系統的管路中會對水冷系統產生不利影響。在循環水冷系統管路中有氣體時，氣體會沿著管路聚集到最高點，因此應在管路的最高點安裝排氣閥。

6）冷卻塔或換熱器可分設2～3級，用溫控閥（三通）和溫控開關按設定水溫進行級別切換。

閥門的基本參數：公稱通徑（代號DN，單位為mm），它是閥門進出口的名義尺寸，與實際尺寸有差別，適用標準為GB/T 1047—2019《管道元件公稱尺寸的定義和選用》；公稱壓力（代號PN，單位為MPa），適用標準為GB/T 1048—2019《管道元件公稱壓力的定義和選用》；適用介質。

6.3 管路的設計

（1）循環水冷系統的管路設計應注意事項

1）水管內壁光滑。冷卻水流經管路與內壁摩擦、沖擊、產生紊流，內壁光滑可減小水阻，能源損失也會減少。

2）管路盡可能短。

3）減少彎管。水流經彎管，會使水流速度改變、產生擠壓、撞擊而消耗能量。盡量采用135°彎管。

4）采用經濟管徑。

（2）水管材質 變頻電源、電熱電容器、大電流母線的循環水冷系統管路可采用工業純銅、不銹鋼材料，不得使用鋼材料；感應器線圈水路的管路可以采用鋼或PVC材料。感應熔煉電爐的循環水冷系統在任何場合均不得使用鑄鐵管和鍍鋅鋼管。

（3）管徑設計 管徑d是指水管的過水直徑。管徑的確定主要取決于體積流量（m3/s）和流速（m/s)。感應熔煉電爐的循環水冷系統管路的流速不超過3m/s，對壓力0.2～0.3MPa的循環水，主管流量一般為1.5～3.0m/s，支管為1.0～1.5m/s。大流量取上限，小流量取下限，一般首次試算時，主管流量取2.0m/s，支管取1.2m/s。采用GB 50013—2018《室外給水設計標準》：水泵吸水管直徑＜250mm時，流速為1.0～1.2m/s；水泵出水管直徑＜250mm時，流速為1.5～2.0m/s。

管徑按式（20）計算：

式中 d——管徑（m）；

W——循環水體積流量（m3/s）；

V——流速（m/s）。

采用經濟管路。流量一定，管道過水截面積越大，水阻就越小，水流對管壁的撞擊擠壓也就越小。適當加大出水管路管徑，可降低水的壓降。

（4）管路安裝

1）在泵的入口側、出口側盡可能接近水泵的地方為管道提供足夠的支持。避免管道應力傳遞到泵體上。

2）進水管路不得漏氣，因離心泵吸水必須保持真空。注意管路接法蘭與水泵法蘭對接平面平整，中間墊一層3～5mm厚橡皮墊圈，墊圈內口不要小于管道內口。管道內口要對準。聯接螺栓應對稱擰緊、松緊程度一致。

3）水泵進水管路設計。進水管盡可能短而直，必須用彎管也應選用較大半徑的彎管。為使水路入口水流速度均勻，彎管不能在水泵入口直接安裝，而要有一段長度不少于3倍管徑的直管再裝彎管。為降低進水流速，并減小水泵吸入管浸入水下深度，可擴大水管進水管徑。水泵進水管徑設計大于出水管徑1.3～1.5倍。由于進水管徑大于水泵口徑，一般用偏心并徑管過渡。安裝時必須上平下斜，若裝反容易產生氣阻。為避免管路產生氣阻，進水管應水平或稍向下傾斜，不得高出水泵進水口。浸入水池的水泵進水管離池壁不得小于管徑的1.5倍。

4）在水泵進水端安裝閘閥，在出水管路上安裝閘閥和止回閥。止回閥的作用是為防止意外停泵，水倒流引起葉輪反轉、松脫。逆止閥應緊靠水泵出水口。閘閥緊接在逆止閥后面，停機時，先關閉出水口閘閥，這樣可減小水泵的振動。

5）水泵進水管插入水池中0.5m深度。過深時會加大揚程，過淺抽水時進水管周圍會出現一個漩渦，把空氣卷到水泵里去，使出水量減小。

7 感應熔煉電爐循環水冷系統測量

7.1 冷卻水回路的密封性

首先將水壓調節到其規定的最低值（如0.2MPa），冷卻水在所有冷卻回路內應暢通，然后關閉各冷卻水回路出口，用泵將水壓升到廠家規定水壓最高值（如0.3MPa）的1.5倍，并應至少保持5min，管路應無水泄漏點或壓降并檢查冷卻系統所有閥門，以確定滿足規定的運行情況。

7.2 冷卻水流量

水量由流量計測量或由一定時間內流出冷卻水的體積除以該時間算得，流量試驗的目的是檢查回路能否在不超過規定壓降的情況下通過規定的流量。

7.3 冷卻水溫升

冷卻水溫升應在感應熔煉電爐已運行足夠長時間并確保處在熱態后進行。

感應熔煉電爐進口處的水壓及流量應在生產廠家規定的范圍內，溫度應在用水單元進出口處用玻璃溫度計測量或用傳感器監測。

以上所述冷卻水回路密封性試驗和流量試驗作為冷態試驗是必選的項目，而熱態試驗中的溫升試驗是生產廠家與用戶協商后可選的試驗項目。

8 感應熔煉電爐水垢防止控制與線圈銅管垢層的清理

8.1 水垢的形成及其危害

感應熔煉電爐中變頻電源的半導體器件、電感器件、水冷的電熱電容器、大電流母線以及感應器線圈的冷卻水硬度超過一定值，隨著水溫升高，水中碳酸鹽和非碳酸鹽類濃度逐漸超過飽和極限發生沉淀而形成水垢。水垢沉積在線圈或通水器件內壁，會縮小過水面積，增加水阻。

常用普通純銅的熱導率，0℃時為391.0W/（m·K），20℃時為390.0 W/（m·K），80℃時為382.5 W/（m·K），而水垢的熱導率僅在0.7～ 23.3W/（m·K）。線圈或通水器件只要表面結垢，不僅影響換熱效率，而且會增加線圈和器件的能耗，一般來講，垢層1mm時，相當于8%的能源消耗。垢層越厚，換熱效率越低，能源消耗就越大，同時也使循環水系統管道阻力增大，造成動力的浪費。垢層厚度與換熱效率下限的關系見表3（資料來源：《ASHRAE JOURNAL》，1997，第39卷第4期）。

表3 垢層厚度與換熱效率下限比值

8.2 水垢的防止與控制

防止與控制水垢有物理方法和化學方法。

（1）物理方法 物理方法主要有水的磁化處理與靜電處理。

1）水的磁化處理：冷卻水垂直于磁力線的方向通過磁場N、S極間，水即被磁化處理。經過磁化處理的冷卻水產生的無定型粉粒不會沉淀黏附在線圈銅管或通水器件內壁，也就不會形成水垢。但磁化處理只能起到一定的阻垢作用。冷卻水的浸蝕、殺菌、旁濾等處理還需采取其他措施。

2）水的靜電處理：當前，靜電處理分兩類，一類是利用高壓靜電場進行水質處理；另一類是冷卻水吸收高頻電磁能量后，使水中鈣鎂離子無法與碳酸根離子結合成碳酸鈣和碳酸鎂，從而達到阻垢的目的。高頻電子除垢的同時，也能起到殺菌、滅藻、防銹的作用。

目前，物理方法多應用在單臺設備或小型循環水系統中，并有其局限性，而且其技術尚待完善，與水質軟化的要求尚有很大距離。

（2）化學方法 化學方法處理應用比較廣泛，其技術較成熟，也較經濟和有效。用化學方法可以較方便地解決碳酸鈣沉積問題，主要方法如下。

1）除去部分成垢離子：碳酸鹽水垢的成垢離子是鈣及碳酸根離子。在水中鈣離子及堿度較高時，可除掉部分硬度和堿度，使水的成垢離子降低。常用的方法有離子交換法和石灰軟化法。

2）酸化法或碳化法：降低循環水的pH值，穩定碳酸氫鹽。

酸化法是在循環水中加磷系緩蝕配方的硫酸。加酸后碳酸鹽堿度減少了，pH值也相應下降，碳酸鈣結垢的可能性就降低了。

碳化法是將煙道廢氣中的二氧化碳通入循環水中，生成的碳酸氫鈣的溶解高于碳酸鈣，可避免碳酸鈣結垢。

3）在循環水中加入少量阻垢劑，破壞碳酸鈣等成垢鹽類的結晶成長，防止水垢沉積。

常用的阻垢劑有以下幾類：聚羧酸類、膦酸類、有機酸酯類和膦羧酸類等[12]。

8.3 感應器線圈垢層的清理

感應加熱設備中變頻器的平波電抗器、電感線圈、感應器線圈在工作一段時間后如產生水垢，要及時加以處理。

水垢的主要成分是碳酸鹽，而在碳酸鹽水垢中含有80%以上的碳酸鈣，如果水中硅酸鹽及硫酸鹽含量低且線圈不存在腐蝕時，碳酸鈣的含量可達95%左右。碳酸鹽水垢最易溶于無機酸和有機酸。在常溫時，5%以下的稀鹽酸中碳酸鹽水垢可全部溶解，溶解時將產生大量CO2氣體。

其化學反應式為：CaCO3+2HCl→ CaCl2+CO2↑+H2O

用鹽酸清洗水垢時可由垢層厚度選擇酸液濃度，見表4。

表4 清洗水垢時酸液濃度的選擇

有“點蝕”的線圈銅管應使用80%的氨基酸清洗。若有較嚴重的均勻腐蝕則不宜進行化學清洗。

在勾兌鹽酸溶液時，應使用以咪唑啉為主的緩蝕劑，為抑制腐蝕，在溶液中可加入50～100mg/L二硫基苯并噻唑（MBT）。

使用過的廢酸溶液的處理一定要遵循國家關于廢液排放的標準[13，14]。

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