鑄鋼件淬火水池循環(huán)水深度冷卻系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

白宏偉，申國強(qiáng)，趙大為，閆少華，林玉東，陳 剛

（1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007；2 中國電子工程設(shè)計(jì)院河南分公司，河南鄭州 450007；3.泰鋼合金有限公司，廣東中山 528400）

鑄鋼件淬火水池?zé)崴疁囟仍诖慊鹎坝袊?yán)格的要求，一般不高于35℃，淬火后一般不高于50℃[1]，通常設(shè)計(jì)足夠大的水池，用單級(jí)冷卻塔冷卻方式，但當(dāng)?shù)叵募咎鞖鉁囟群茈y低于31℃。采用補(bǔ)充冷水平衡溫度的方式由于受污水零排放的環(huán)保限制而禁用，加冰調(diào)節(jié)溫度的方式對(duì)大型水池顯然不適用。隨著科技發(fā)展對(duì)一些特殊材料要求淬火前溫度低于24℃，以提高淬火綜合性能，淬火池水溫深度冷卻成為淬火處理的重要技術(shù)發(fā)展需求[2]，僅僅用冷卻塔冷卻難以滿足要求，需要研究新的高性能的冷卻方式及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。研究和設(shè)計(jì)淬火水池深度冷卻方式及系統(tǒng)就成為迫切需要解決的難題。

1 大型低溫水介質(zhì)淬火系統(tǒng)需求

泰鋼合金有限公司新工廠位于中山，精鑄及砂鑄工藝生產(chǎn)不銹鋼、合金鋼鑄件，主要用于出口，淬火水池尺寸22m×6.1m×3.5m，存水量400t，鑄件日產(chǎn)量基準(zhǔn)30t，考慮遠(yuǎn)期發(fā)展和高性能材質(zhì)鑄件需求，提出淬火水池最低溫度15℃，淬火后水溫升到30℃的要求，在夜間利用谷電反向?qū)⑺疁貜?0℃冷卻到15℃，時(shí)間最短為0 點(diǎn)到8 點(diǎn)的8h。

（1）水量計(jì)算

水池尺寸：22m×6.1m×3.5m，水深3.1m，水量G=22×6.1×3.1×103=416000（kg）。

（2）熱量釋放計(jì)算

目標(biāo)：在8h 內(nèi)從30℃冷到15℃，單位小時(shí)平均釋放熱量：

式中，Q1為單位小時(shí)平均釋放熱量（kJ）；G 為水的質(zhì)量（kg）；Cp 為水的比熱，4.18kJ/（kg·℃）；△T 為水溫差（℃）。

Q1=（416000×4.18×15）/8=3260400（kJ），理論上需要同樣的制冷能力進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)移，即制冷單位小時(shí)平均量Q2≥Q1=3260400kJ。制冷機(jī)制冷量：

式中，P2為制冷機(jī)制冷量（kW）;Q2為制冷單位小時(shí)平均量（kJ）；k 為能量轉(zhuǎn)化系數(shù)，1kW·h=3600kJ。P2=3260400/(3600×1)=907（kW）。選擇960kW 制冷能力冷水機(jī)組。富裕系數(shù)K2=960/907=1.06，忽律氣候季節(jié)變化影響。

（3）理論最大冷卻速度: v=15/8=1.875（℃/h）。

（4）水池水升溫計(jì)算

10t 工件及2.3t 托盤從出爐溫度1130℃淬火入水，30min 冷卻到50℃，釋放熱能為：

式中，Q0為釋放熱能（kJ）；G0為工件及托盤質(zhì)量（kg）；C 為工件比熱，C=0.70kJ/(kg.℃)；△T0為溫差（℃）。

Q0=12300×0.7×（1130-50）=9298800（kJ）。單爐淬火導(dǎo)致水池循環(huán)水最大溫升：△T0=Q0/（4.18×416000）=5.35℃。

每班8h 淬三爐，則最大總升溫為3×5.35=16.05（℃）。實(shí)際工件平均8t，則實(shí)際平均溫升為：△Ts=3×5.35×（10.3/12.3）=13.44（℃），在淬火后要求水溫不高于30℃，則目標(biāo)需求為每班要將416t 水冷卻到30-13.44=16.56（℃）以下。考慮尚有固溶溫度1090℃、調(diào)質(zhì)淬火溫度930℃情況，在8h 內(nèi)能冷卻到16.5℃即可。

2 基于冷水機(jī)組和板式換熱器的串聯(lián)間接冷卻系統(tǒng)

單級(jí)冷卻塔冷卻方式受到當(dāng)?shù)貧鉁貪袂驕囟认拗疲ㄖ猩綕袂驕囟?8℃），原則上冷卻塔出水逼近溫度為：T2=28+3=31（℃）。中山屬于亞熱帶，夏季高溫季時(shí)間較長(zhǎng)，故低于31℃水溫要求的冷卻就屬于循環(huán)水低溫深度冷卻，需要更低溫度的冷源及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。

工業(yè)用螺桿冷水機(jī)組可以提供5～15℃的冷凍水，允許進(jìn)出水溫差大且可調(diào)，是理想的冷卻源；板式換熱器是快速高效間接換熱裝置；將兩者串接就可以組成間接深度冷卻系統(tǒng)[3]。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 基于冷水機(jī)組和板換交換的淬火水池?zé)崴疃壤鋮s循環(huán)系統(tǒng)

在自吸水泵和冷卻塔之間增加螺桿冷水機(jī)組和板式換熱器，將普通的一級(jí)冷卻循環(huán)變?yōu)橐来未?lián)而又獨(dú)立的三個(gè)子循環(huán)。冷水機(jī)組蒸發(fā)端可以產(chǎn)生低溫達(dá)7℃的冷水，通過板式換熱器快速高效換熱，將首端循環(huán)的水池?zé)崴鋮s到最低15℃，突破單級(jí)冷卻塔方式由于受到季節(jié)天氣濕球溫度限制而難于低于31℃的技術(shù)指標(biāo)，滿足特殊、高性能淬火要求。

自吸循環(huán)泵（4）通過進(jìn)水管（2）、管端的底閥（3）與淬火熱水池（1）相連接，通過出水管（5）與板式換熱器（6）連接，再通過回水管道（7）與淬火熱水池（4）組成開放的首端熱水循環(huán)子系統(tǒng)1。

板式換熱器（6）與螺桿冷水機(jī)組（10、11）通過內(nèi)循環(huán)管道泵（9）、內(nèi)循環(huán)水管（8）、內(nèi)循環(huán)水管（12）相連接，組成封閉的冷水中間內(nèi)循環(huán)子系統(tǒng)2。設(shè)有自動(dòng)補(bǔ)水穩(wěn)壓裝置。循環(huán)管道泵兩用一備。

螺桿冷水機(jī)組（10、11）與開式冷卻塔（13）通過外循環(huán)管道泵（15）、外冷卻水管（16）、外冷卻水管（14）相連接，組成開放的尾端冷凝器熱水冷卻子系統(tǒng)3。外循環(huán)管道泵兩用一備，與冷水機(jī)組配合使用。

在管道中設(shè)置必要的減震軟接頭、過濾器、手動(dòng)蝶閥、單向閥等附件。

單個(gè)960kW 制冷能力主機(jī)體積大，受場(chǎng)地限制難以布置，也不滿足動(dòng)力設(shè)備備用的要求，設(shè)計(jì)為兩個(gè)主機(jī)冷水機(jī)組并聯(lián)使用，單機(jī)制冷能力為480kW，共計(jì)960kW。內(nèi)循環(huán)是封閉的，可以單機(jī)獨(dú)立使用，也可以兩臺(tái)同時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)靈活的階梯使用效果和備用安全要求。

關(guān)聯(lián)排污系統(tǒng)。排污泵（18）通過排污管及底閥（17）及排污出管（19）組成水池排污系統(tǒng)。排污泵和自吸循環(huán)泵為同型號(hào)的ZW 系列污水自吸泵，通過閥組切換，達(dá)到互為備用目的。污水管接入工廠污水處理系統(tǒng)，達(dá)到零排放的環(huán)保目標(biāo)。

整個(gè)系統(tǒng)主要布置在3m×12m 的附房?jī)?nèi)，冷卻塔布置在車間外相鄰空間。為便于管道安裝、維修，以及設(shè)備運(yùn)行管理，和車間之間的圍墻在2.8m 下打通共享，系統(tǒng)相當(dāng)緊湊，空間很緊張，仍然可設(shè)有空間通道，便于檢修和可視化運(yùn)維。

3 試驗(yàn)及應(yīng)用

3.1 首次冷卻試驗(yàn)

室溫23.0℃，起點(diǎn)水溫26.43℃，時(shí)間11:00-19:00，冷水機(jī)設(shè)定出水溫度10℃,試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示,可以深度冷卻到水溫15℃。

表1 冷卻試驗(yàn)降溫速率1

3.2 二次試驗(yàn)

室溫24.8℃，起點(diǎn)水溫31.43℃，時(shí)間17:00-1:00，冷水機(jī)設(shè)定出水溫度10℃,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 冷卻試驗(yàn)降溫速率2

三個(gè)水溫測(cè)量點(diǎn)溫差加大超過1℃，說明溫度越高分層越嚴(yán)重。考慮冷卻時(shí)水池?cái)嚢琛⑺貧埓婕岸啻未慊甬a(chǎn)生的顆粒物將過濾器堵塞，導(dǎo)致流量減少，冷卻速度降低。換熱效率對(duì)流量敏感，過濾器需清理，保持暢通。增加外置過濾網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)方便的可視沖刷清理。

表3 冷卻試驗(yàn)降溫速率3

3.3 第三次試驗(yàn)

室溫25.3℃，起點(diǎn)水溫30.23℃，時(shí)間0:00-8:00，冷水機(jī)設(shè)定出水溫度7℃。

攪拌機(jī)停機(jī)，在靜穩(wěn)狀態(tài)下冷卻，三個(gè)工位水溫測(cè)點(diǎn)平均值。調(diào)低冷水機(jī)出水溫度設(shè)定。在9h內(nèi)冷卻到15℃，接近設(shè)計(jì)目標(biāo)。盡管管道進(jìn)行了保溫，但水泵、板換不能做到完全保溫，與環(huán)境仍有一定的冷熱交換。水池液面與環(huán)境進(jìn)行蒸發(fā)換熱，受水溫及車間溫度變化的影響；水池四壁與水進(jìn)行傳導(dǎo)及對(duì)流換熱，在相對(duì)較高溫度時(shí)表現(xiàn)為散熱從而加大降溫速率，在相對(duì)較低溫度時(shí)表現(xiàn)為吸熱從而減小降溫速率；這符合熱能總是從高溫向低溫傳遞的規(guī)律。

使用狀態(tài)的水池水溫深度冷卻降溫曲線如圖2 所示。

圖2 水池水溫深底冷卻降溫曲線

3.4 應(yīng)用

調(diào)試后使用狀態(tài)穩(wěn)定，與理論冷卻速率相比，總體表現(xiàn)為前高后低，在18℃后急劇降低，和系統(tǒng)吸熱的負(fù)影響有關(guān)。同時(shí)觀察到冷水機(jī)組的輸出功率開始逐步減少，水溫接近15℃時(shí)只有約60%，說明由于介質(zhì)溫差減少板式換熱器效率降低，冷水進(jìn)出口溫差也小于4℃的效率理想值，雖然也可以進(jìn)行更低溫的深度冷卻，但效率降低，逼近平衡溫度的時(shí)間大大延長(zhǎng)。因此，經(jīng)濟(jì)合理的水溫應(yīng)該在18℃。

冷水機(jī)組參數(shù)設(shè)定后固定，水池溫度數(shù)字顯示，并可設(shè)定值控制開啟、停止，界面如圖3 所示。

圖3 水池溫度及冷水機(jī)參數(shù)

靜置狀態(tài)下的溫度回升測(cè)量如表4 所示，環(huán)境溫度23℃。

表4 水池靜態(tài)溫度回升

靜態(tài)水溫回升先快后慢，日24h 平均回升小于1℃。

3.5 存在問題及處理

冷水機(jī)組由于受場(chǎng)地限制和選型因素，制冷能力計(jì)算富裕量6%略顯偏低，實(shí)際時(shí)間延長(zhǎng)約14%，綜合各種因素，工程富裕量放大到21%為宜。本例在實(shí)際使用中由于裝載量在90%～100%，較低溫度淬火工件有一定比例，水溫溫升比計(jì)算較低，完全滿足使用要求。同時(shí)這是為高性能工件的極端工藝參數(shù)而設(shè)計(jì)，一般工件淬火也不要求淬后水溫低于30℃，應(yīng)該根據(jù)材質(zhì)工藝要求進(jìn)行靈活調(diào)整。

3.6 系統(tǒng)智能化運(yùn)行及節(jié)能

設(shè)置PLC+觸摸屏的控制系統(tǒng)，冷水機(jī)參數(shù)本機(jī)數(shù)字化設(shè)定及上位遠(yuǎn)程開啟控制，水溫測(cè)量數(shù)字化，在人機(jī)界面上設(shè)定自動(dòng)開啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間及溫度區(qū)間設(shè)定控制，運(yùn)行時(shí)間設(shè)定在谷電時(shí)間段的0:00～8:00，節(jié)能、經(jīng)濟(jì)。整個(gè)系統(tǒng)可以智能操作及無人化運(yùn)行。

4 結(jié)論

（1）冷水機(jī)組和板式換熱器的串聯(lián)間接冷卻系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)400t 淬火水池水溫從高于30℃深度冷卻到15℃的目標(biāo)，擴(kuò)展了水介質(zhì)淬火低溫范圍，為生產(chǎn)高性能鑄鋼件提供了技術(shù)保障。深度冷卻在靜置狀態(tài)下進(jìn)行為佳，對(duì)流量敏感，對(duì)過濾器需及時(shí)清理。

（2）冷卻降溫速率前高后低，在水溫18℃后急劇降低，伴隨換熱效率和經(jīng)濟(jì)性降低。

（3）整個(gè)系統(tǒng)可以智能操作及無人化運(yùn)行，嚴(yán)格運(yùn)行在谷電時(shí)間區(qū)間，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)。