真空热处理炉循环冷却水设计选型

孔令利，张善庆，贺瑞军

(北京航空材料研究院，北京 100095)

循环冷却水系统是一种常见的而且非常重要的公用工程系统，在冶金、热处理、化工、电力等这些制造业中是必不可少的[1-2]。真空热处理是在真空环境中对制件进行加热、保温和冷却等工序的热处理技术，为了达到一定的真空度要求，真空热处理设备配置了许多不耐高温的密封元件[3-4]，循环冷却水系统能够降低加热过程中炉体体表温度，保护不耐高温的部件，保护整台设备能安全运行。另外，在进行强冷气淬工艺时，循环冷却水作为冷却气淬气体的热传导介质，对热处理设备冷却能力的影响也是十分显著。

本文介绍北京航空材料研究院真空热处理设备配套项目中双循环水系统的工艺及特点，并对管路系统的设计、循环水泵的选型、蒸发式冷却塔及水泵进出口管道设计等做了初步的分析和探讨，可供类似工程参考。

1 现有冷却水系统

目前现有两套配套冷却水系统，一套为老式开放式冷却水系统，该循环水系统为开放式结构，使得水质根本无法保证，造成设备水路出现堵塞、积垢和腐蚀等问题，导致热处理炉频繁出现故障。同时该系统还存在着冬季冻损、水锤现象、断电无自保护、系统漏水等诸多问题。另一套为2010年建设的全封闭式冷却循环水系统，该水冷结构为两路水的功能相互独立，利用75 m3不锈钢循环水箱作为相互连接的纽带与桥梁(两路水共用同一水箱内的冷却水)，一路是开放式的、加药软化水的冷却系统，负责冷却真空正压气淬炉；另一路是开放式、喷淋式的冷却系统，负责冷却75 m3不锈钢循环水箱内水的温升。该套系统在使用过程发现存在软化水系统工作效率低下(软化75 m3的水平均耗时3周)水质净化能力不足，导致热处理炉加热电极、扩散泵冷阱等高温细水管处出现堵塞。由于外路采用喷淋紫铜管冷却内循环水的原理，其换热能力不足，特别在夏天水温冷却能力不足时(水温在40 ℃以上)还需要加自来水进行应急降温，而到了冬天为了防冻还需要加盖专门的厂房进行保暖，防止出现管路冻裂，可见该系统存在着设计上的缺陷。

为了解决设备水路堵塞，冷却能力不足，应急水供应以及冬天水路冻损等问题，新建了一套满足现场五台真空炉用水的双循环冷却水系统。

2 双循环冷却水结构和性能参数

2.1 双循环冷却水系统结构介绍

图1 双循环冷却水系统示意图Fig.1 Schematic diagram of dual-cycle cooling water system

双循环水冷却系统主要包含：开放式外循环与封闭式内循环两大彼此隔离的部分：一路为全封闭式内循环(水冷方式)，保证现场真空炉的实时冷却，采用可保证真空炉钝化与软化技术指标要求的软化水，同时内循环在全封闭的氩气保护状态下使用，并同高效能的板式换热器，通过外循环系统实现自身内循环冷却水冷却降温；另一路为开放式外循环(水冷方式)，冷却依靠水冷模式(冷却水塔)，同时采用自动回水结构，可杜绝冬季冷却水结冰的故障。

图2 双循环冷却水系统布局示意图Fig.2 Schematic layout of dual-cycle cooling water system

外循环系统包含：蒸发式冷却塔、开放式不锈钢水池、过滤器、分隔釜、阀门、离心水泵、管路、压力表、压力控制器、管路实时水质监测系统、电磁水软化系统等。内循环封闭系统包含：板式换热器、氩气管路、热电偶、刻度温度计、控制柜、系统模拟触屏、自动系统(PLC)、手动系统、可独立操作的VFD变频启动器系统、闭式不锈钢水箱、过滤器、隔膜泵、阀门、离心水泵、管路、压力表、压力控制器、水位视镜、泵工作状态指示灯和报警器、数显温度控制器、可选择手动或自动操作的开关、过滤器、带报警器的低水位切断开关、冷却塔能量消耗最小化的水质控制阀、带压力开关的冗余泵、熔断、用于清除杂物的集成过滤器、管路实时水质监测系统、软化水系统等。

2.2 双循环冷却水系统参数

双循环水冷却系统的闭循环冷却水的相关流量、压力及温度和水质参数要求如下：

1)气淬冷却时进水：流量45 m3/h，压力3 bar，整体进水口温度不应超过35 ℃，扩散泵冷阱进水口温度应控制在20～25 ℃；

2)气淬冷却时回水：流量45 m3/h；

3)常用冷却水的进水：流量10 m3/h，工作压力0.3 MPa；

4)常用冷却水的回水：流量10 m3/h；

5)紧急供水：流量3 m3/h，压力0.2 MPa；

6)总硬度：≤100 mg/kg；

7)PH值：7.5

8)电解电导率：≤300 μs/cm；

9)悬浮体(SS)：≤10 mg/kg；

10)总溶解固体：≤200 mg/kg。

3 双循环冷却水关键部件配置

3.1 板式换热器配备

图3 板式换热器工作原理图Fig.3 Working principle diagram of plate heat exchanger

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。板式换热器是液-液、液-汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换热器高3～5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可以高达90%以上[5]。

板式换热器配备的参数以300 m3/h设为系统最大流量，该流量的计算基于5台淬火炉的散热需求。其中3台最大气淬压力0.6 MPa，真空炉气淬时流量为66 m3/h/台，稳定状态下流量为23 m3/h。另外2台真空炉气淬时流量34 m3/h，其稳定状态下流量为23 m3/h。经过最终计算得出五台真空炉平稳状态总流量为115 m3/h，平均总流量约298 m3/h，取整为300 m3/h。

实际情况下五台真空炉同时气冷淬火出现概率非常小，为了分配现场用电配备都是安排错峰淬火，这里以满足2台真空炉同时淬火的情况进行设计，此处预估系统大多数时候处于150 m3/h的流量。真空炉泵采用变频驱动，用以调整流量从而调整压力，0.4 MPa压力时为150 m3/h以节省能耗。作为一个设计参数点选取6 ℃的板式换热器温差，选型结果及参数如表1所示。

表1 板式换热器参数

3.2 双循环冷却水水箱配备

真空热处理炉水箱容量设计为14000 L。在水箱和散热器的尺寸设计上，在保证散热需求的前提下选取最优化的方案。保证适当的水箱容量来控制流入炉体的冷却水温度，而非水箱内水的温度。图4为1400 kg淬火载荷下的温度变化曲线，注意这里需要关注的是图4、图5、图6中的S.S.炉温曲线，即流向炉体的冷却水温度。

水箱尺寸的优化选择是基于对水箱造价、冷却水费用、水处理化学试剂费用，及厂房可用的空间等各因素的平衡实现的。假设选一个很大的水箱尺寸，结果只能少量降低水温却不会带来大的变化。以下为1400 kg 载荷的气冷淬火测试数据：第一个是4000 L水箱，第二个是40000 L水箱；由测试数据可知最高水温温差只有3.22 ℃(34.11～30.89 ℃)。因此，通过平衡冷却水需求量与水箱造价来实现最佳尺寸选择。由图5和图6所示。

图4 1400 kg淬火载荷下的配备14000 L水箱温度变化曲线Fig.4 Temperature variation curve of 14000 L water tank under 1400 kg quenching load

图5 1400 kg淬火载荷下的配备4000 L水箱温度变化曲线Fig.5 Temperature variation curve of 4000 L water tank under 1400 kg quenching load

图6 1400 kg淬火载荷下的配备40000 L水箱温度变化曲线Fig.6 Temperature variation curve of 40000 L water tank under 1400 kg quenching load

3.3 外循环冷却塔配备

由板式散热器设计参数可知：系统热交换量为2089 kW。根据散热总量和冷却水进出口温度需求设计冷却塔参数如表2与图7所示。由表及曲线可知该冷却塔最大排热量为2256.3 kW, 完全满足该系统的散热需求。外循环冷却塔长、宽、高尺寸为：6.4 mm×32.6 mm×33.7 mm，运行重量为7.3 t。

表2 外循环冷却塔参数

图7 外循环冷却塔湿球温度测试冷却曲线Fig.7 Cooling curve of temperature test for wet in ball cooling tower with external circulation

3.4 其他部分配套

水质控制系统：利用氩气保护下使进入炉体的循环水的水箱进行真正意义的封闭和无氧接触，运转软化水对真空炉行使冷却功能，该系统由于与大气环境隔绝，并有惰性气体(氩气)予以保护，再加上专用除垢剂可在闭路内永久地使用，所以该系统内部的软化水的水质在使用过程中并不会发生较大程度的波动与变化。即使真空炉、管路及补水可能对软化水的质量产生一定的影响，但由于该系统自身配备了软化水系统。因此，对该系统可实施实时的软化作用，从而，从根本上杜绝了真空炉自身冷却循环水系统内部结垢、泥沙堵塞等诸多影响及故障。

应急供水系统：利用现有储气罐内氩气作为薄膜泵运行动力，在出现供电系统断电后电磁阀自动转入常闭(平常为常开)状态，从而使气体驱动隔膜泵工作，能够可靠、稳定、实用地为真空炉冷却循环水系统提供应急冷却水，保证真空炉冷却循环水系统的基本维持性(降温过程)用水的正常运转。

冬季冷却水防结冰系统：由于只有外循环系统管路在室外主要考虑外循环防冻，通过将外循环开放式冷却塔安装位置高于外循环水箱，在正常运行时通过水泵升到冷却水塔中，在不制冷时则是通过重力因素使得冷却塔管路中的水回流到水箱中从而起到防冻效果。

4 结论

现场真空炉配套双循环冷却水系统后，封闭内循环系统在氩气保护以及软化水药剂保护下，水质得到了保证，使用期间真空热处理炉未出现管路堵塞故障。由此得出

1)整套冷却水系统冷却效果良好，在7、8月份冷却水水温稳定控制在28 ℃左右，保障现场真空炉自身冷却保护和气淬冷却的用水要求。

2)采用自回水技术使得整个冬季也未出现管路冻损问题，解决了冬天管路结冻问题。

3)双循环冷却水系统满足了现场真空炉对冷却水的使用要求，使得整个热处理生产能够顺利开展。