烧结车间闭式冷却循环水系统应用

李俊峰，邓志伟，刘涛，郝京波，梁升

（安泰科技股份有限公司，北京 101318）

烧结是粉末冶金行业的常见工序之一，它是一种在特定的气氛环境下、将工件加热到指定高温、并维持一段时间以发生预期等一系列物理化学变化，并进行冷却的过程。在A企业烧结钕铁硼磁体的生产过程中，烧结工序是最为关键的工序之一。该工序将预取向压制的毛坯，在真空环境下加热到1100℃左右，并保温一段时间，进行微观组织的物理化学反应，最终冷却后形成致密化的钕铁硼合金。该过程常用的设备有真空烧结炉、真空热处理炉、PVD炉等，由于设备工作温度高，单炉处理时间长，是整个烧结钕铁硼生产过程中能耗最大的环节。在工作过程中，烧结设备的冷却是一个重要问题，目前主要的冷却方法是往设备内通入30℃左右的冷却循环水，一方面对高温部件进行物理保护，一方面协助设备进行工艺条件实现（如温控精度、冷却速度）。本文以A公司烧结车间配套的闭式冷却循环水系统为例，介绍该工程的总体方案设计、选型、实施和运行管理等具体应用。

1 烧结车间冷却循环水系统重点问题

1.1 设备及用水量

对于真空烧结炉、真空热处理炉等设备，工作温度长期保持在900℃以上，大部分时间以维持大水量、保持烧结室的结构安全为主；即使是在冷却阶段，通过风机鼓风经换热器冷却工作室，从300℃降低到室温，该过程中热交换一二次侧的温差仍比较大，对水温敏感程度低，维持在30℃左右并保持水量即可；对于PVD炉等需要冷却靶材或线圈的设备，要求精确控制低水温15～20℃，以保证工艺参数实现，这类设备往往用水量较烧结炉小得多。

1.2 水质要求

因设备工作温度高，对水质有一定要求：首先要求循环水中的钙镁离子浓度低；其次要求对微生物进行控制，以降低烧结设备水套、换热器和管道的内壁结垢速度，减少黏泥，防止堵塞管道或降低换热效率。

1.3 水压控制

对于烧结设备的主要用水点：炉体炉门水套、风机换热器、扩散泵、以及插板阀等部件，水路数量多、管径差异大、水量和压力损失差异很大，为了保证各个用水部件的水量，在设备上均设计有分水器和集水器，集水器大多采用开放模式，联通大气压，这样即使在水压很小的情况下，各回路都能正常冷却，并且这种方式能直观的观察和判断设备用水情况。在实际应用中，水系统一般需要带整个车间的设备，因而需要覆盖用水点的距离差异和供回水条件的差异，一般按照恒压供水进行设计，水压以保证最远端设备的正常用水为准。系统根据用水设备数量变化引起的水压变化进行自动调节，以达到工艺要求下的最低用能。

1.4 安全和备用

烧结过程为高温过程，中途一旦停水，在高达1000℃以上的温度下，除产品性能受到影响之外，将对炉体、炉门、风机等部件可能造成不可逆的永久损坏，甚至会引起蒸汽喷射和人员安全事故。因此，需要做充分的冗余设计和安全考量，严防停水事故的发生，以及万一事故发生的后果防范。

1.5 冬季防冻和夏季极热

水系统面临冬季和夏季两种极端气候下的巨大热负荷波动，因此有必要区别对应；如夏季发挥冷却系统100%效能的话，在冬季可能不到40%，如果不能灵活调整系统，将造成极大的能源浪费。并且在北方地区，冬季需要重点防范循环水结冰的问题：一旦结冰，短期内无正常供水，生产停滞；更甚者可能导致冷却塔或水管冻裂，恢复的时间和难度更大，往往会造成巨大的经济损失。

1.6 节能运行

烧结工序能耗大，长期的加热、降温过程以及贯穿始终的真空系统是主要用能动作。例如，在烧结钕铁硼材料的烧结过程中，300kg炉的烧结和热处理两序电耗超过1200kWh/炉，占整个材料生产电耗的50%以上。而烧结炉配套的循环冷却水的用电则占烧结炉电耗的20%左右，其中以动力系统（水泵）的能耗为主，其次是冷却系统（冷却塔）。如何在水系统的动力和冷却部分做相应的节能设计，将直接影响到生产成本，意义重大。

2 工程设计及实施

2.1 闭式循环系统

烧结类设备的用水点数量多、各路流量差异大，目前行业内主要采用开式系统：即热水池中的热水经泵至冷却塔冷却后回流至冷水池，冷水经泵供给车间设备，给水由设备自带的分水器分到各用水点，各路回水至开放式集水器中，经回水干管汇流到热水池。这种方式可方便直观地观察每路用水点的情况，并进行调整，平衡各路用水量。缺点是水质难以维护，长期运行引起设备的水套、冷却器和管路结垢和腐蚀严重，影响使用寿命和设备性能。

A企业烧结车间设备价值和工艺稳定性要求都比较高，因此对水质要求严格，首选采用闭式系统，主要设备为逆流式闭式冷却塔。闭式循环系统中冷却水与外界环境直接接触，可以防止粉尘、微生物、有害离子和其他介质进入系统，长期运行效果较好。该系统中冷却水为循环使用，蒸发量很小，因此考虑使用纯水，并根据运行水质状况加入适量的防腐剂、抑菌剂等药剂。闭式冷却塔的喷淋水蒸发量大，并且需要与外界环境接触，设计使用软化水，以降低长期运行过程中水垢的积累对冷却塔效果的影响。

2.2 水温

根据烧结炉、热处理炉等设备的特点，结合烧结炉用水要求及经验，设计系统供水水温32℃，回水温度37℃。

2.3 水量确定

根据车间设备用水量核算所需水量为：15t/h/台×4台=60（t/h），设备及管道内的系统水量约为5t。

2.4 冷却塔选型

根据系统水量及水温要求，选定良机品牌LNCM—65型闭式冷却塔，由于车间内外的场地限制，无法再新增工艺设备、无须预留富裕水量。该型冷却塔循环水量65t/h，标准工况为37℃给水32℃回水。本案再通过其他措施优化设备用水方案，适当平衡热负荷，以降低对冷却设备的要求。

2.5 水力计算

循环水管路的损失约为0.02Mpa，沿程高差损失约为0.05MPa用水设备的损失小于0.2MPa。经查冷却塔技术参数，其内部盘管的典型压力损失为0.1MPa；因此，在系统水不经冷却塔的情况下，系统压力损失约0.27MPa，对应水泵的扬程应在27m以上；在系统水经冷却塔的情况下，系统压力损失约0.37MPa，扬程应在37m以上；在热水经塔直接回冷水池的情况下，扬程应在15m以上。

2.6 集水箱和泄压功能配置

闭式系统一般会存在多个回水点压力不平衡引起的水量不均问题，严重时可能出现部分管路无回水的现象，进而导致设备受损。为了解决这个问题，本系统设计半地下式集水箱，并在水箱内焊接密封的PVC内胆，以达到以下目的：（1）集水后泄压；（2）保护水质密闭不收污染；（3）提供一定的系统水容量，利于启停泵和设备检修时卸水；（4）在冬季可以利用地坑自然散热，并有一定的防冻作用。

水箱分为冷水箱和热水箱，下半段是分离结构，顶端是连通结构，在热水箱满后可溢流至冷水箱，冷热水箱的动态调整容量稍大于系统水量，以保证停机时系统水的回流。本案中由于场地限制，采用半地下一体浇筑的混凝土地坑，冷热水容量各约10t，坑内焊PVC内胆，并将冷却塔放置于坑顶以节省空间。

2.7 排气阀及卸水点的设置

闭式循环水系统需在管道最高点（一般是末端）设置排气阀，以防形成局部气阻或气蚀，影响水流和水量分布。另外，由于系统封闭性，涉及设备检修的情况下，需要有低位卸水点，因此需要在设备进出口、泵的进出口均设置阀门，在低点设置卸水阀门。在冬季部分室外的管道切换不用的情况下，必须将这部分管道中的水放净以防冻裂，因此，需在相应管道前后阀门间设置卸水点。

2.8 仪表配置

闭式循环水系统中水泵前、后，设备进、出水口，需要分别安装压力表；管道末端需要安装压力传感器作为恒压供水的控制信号；在给、回水主管和室外环境分别安装温度传感器，作为控制冷却塔风机的信号；在设备集水器的每个回路中安装水流开关，作为监督水量的报警信号。

2.9 安全配置

按常规做法，应设置备用泵防止水泵故障；应设置柴油机泵或高位应急水箱，作为非电情况下的紧急应对措施。本案中供水泵均为一用一备；因场地限制和安全环保等限制性政策，两项非电情况的安全措施不具备实施条件。考虑本车间循环水量较小，因此本案将自来水和应急消防水作为应急水源，在消防栓和自来水接口处预留快速接头，但不直接连通到本系统，以防误操作影响系统水质。一旦发生停电，工人迅速将水龙带接到自来水和应急水快速接头处，关闭外部主管路的阀门防止破坏整个系统水质，并打开主管路上的卸水开关，可以在几分钟内完成切换，保证设备安全，并保持室外地坑和管道内的大部分纯水不受影响。

2.10 闭式冷却循环水系统图

综合以上设计系统图如图1所示。

图1 水系统图

具体配置如下：

冷却塔：1台逆流式密闭冷却塔LNCM—65（良机），Q=65t,N=10Kw；

热水泵：2台KQL100/140S-7.5/2（凯泉），Q=80t/h，H=24m，N=7.5kW；

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

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

3 运行控制和管理

针对A企业所处北方地区的冬季长、冬季冷、全年温差大的气候特征，系统设计3种运行模式。

3.1 夏季运行模式

如图2所示，在热负荷大的季节（夏季及春秋季部分时段），开启阀门F1、F3、F4、F6，关闭阀门F2、F5，热水泵将热水打入冷却塔冷却后，自然回流至冷水箱，冷水泵将冷水供至车间内设备，设备回热水经主管汇流至热水箱，不平衡部分水量通过水箱间溢流自然均衡。热水泵一用一备，冷水泵优先开启大流量泵，以大水量增加换热量，小流量泵作为备用。

图2 夏季运行模式

3.2 冬季运行模式

如图3所示，在散热条件好、热负荷不大的季节（春秋冬季部分时段），开启阀门F2、F5，关闭阀门F1、F3、F4、F6。该模式下系统水不经过水箱，冷水泵将水供至车间内烧结炉，设备回热水经主管汇流至冷却塔内冷却，再通过冷水泵供至车间。热水泵全部停用，冷水泵优先开启小流量泵，获得较高的水压以克服冷却塔的水压损失，大流量泵作为备用。这种模式热水泵停用，节能效果明显；多余的系统水存入水箱下半段，可防结冰。

图3 冬季运行模式

3.3 极寒运行模式

如图4所示，在极寒条件下（寒冬），开启阀门F1、F6，关闭阀门F2、F3、F4、F5。该模式下系统水不经过冷却塔，冷却塔放空以规避冻裂的问题。冷水泵将水供至车间内烧结炉，设备回热水经主管汇流至热水箱中，再溢流至冷水箱，通过冷水泵供至车间。由于车间内和室外温度极低，通过室内外的自然散热已基本能满足设备散热；同样，该模式下热水泵和冷却塔全部停用，节能效果明显；冷却塔放空解决了结冰之忧；系统水位于半地下，可兼顾自然散热和保温防冻。

3.4 系统运行控制

图4 极寒运行模式

首先，为保证用水设备稳定运行，以及管理的直观和方便，业内一般都对供水压力进行管控，本案采用恒压供水方案。由于车间设备少、分布集中，可通过供水管道末端的压力来控制冷水泵的运行频率，进行恒压供水。在冷却塔的水温控制上，以供水总管、回水总管、环境温度3项作为参考，进行分段PID模糊控制，保持温度在一段时间内的稳定性。

其次，考虑烧结车间内生产排产和工艺节奏的特点，4台设备的装炉时间先后会错开30min以上，并且在80%以上的高温恒温烧结时段内，设备对水温不敏感，仅在最后的冷却时段需要保证水温和水量稳定，以确保冷却速度不影响产品性能。据此对烧结炉风机冷却器的供水设置2档控制，即：常规时段为一档，开启一路供水，水量为原正常水量的60%左右；冷却时段为二挡，开启两路供水，水量可达原正常水量的120%，加强水量以防水温的不足。该方法在保证设备性能的前提下，降低大部分时间段的用水量，并可适当降低工艺设备对水温的要求，进而达到节能的效果。

再者鉴于烧结炉的连续工作时间长，一般钕铁硼行业内的烧结炉工作时间多在12～30h，视为连续运转，因此循环水一般是长流水形式；实际在常温和低温状态下的抽真空、进出料、检修、等待等时段内，冷却水是无效或部分无效的，长流水白白损失了大量的水力，加重了水泵的负担，浪费了电能。本案中增加单体设备给水的电磁阀，并与设备联动，在设备运转时段用水，停机、待机时段关停，配合回水分路的水流开关形成报警系统，协助生产人员的点检和管理。由于给水和回水管道都处于高位，即使在给水电磁阀关闭的状态下，设备所有用水点仍会保持充满水的状态，不会出现干烧的情况；通过对低效、无效的用水控制，降低运行水量，进而利用恒压控制系统降低供水泵频率，达到节能的效果。尤其是在产能负荷不高的情况下，节能效果更加明显。

4 结语

闭式冷却循环水系统应用于钕铁硼磁体烧结车间，能直接提高烧结炉、热处理炉及附属部件的换热效率并延长其使用寿命。本案水系统在水质保证、运行安全保障、多模式节能运行、降低系统运行动力等方面优势突出，综合效益显著，有行业推广应用意义。