燒結(jié)車間閉式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)用

李俊峰，鄧志偉，劉濤，郝京波，梁升

（安泰科技股份有限公司，北京 101318）

燒結(jié)是粉末冶金行業(yè)的常見工序之一，它是一種在特定的氣氛環(huán)境下、將工件加熱到指定高溫、并維持一段時(shí)間以發(fā)生預(yù)期等一系列物理化學(xué)變化，并進(jìn)行冷卻的過程。在A企業(yè)燒結(jié)釹鐵硼磁體的生產(chǎn)過程中，燒結(jié)工序是最為關(guān)鍵的工序之一。該工序?qū)㈩A(yù)取向壓制的毛坯，在真空環(huán)境下加熱到1100℃左右，并保溫一段時(shí)間，進(jìn)行微觀組織的物理化學(xué)反應(yīng)，最終冷卻后形成致密化的釹鐵硼合金。該過程常用的設(shè)備有真空燒結(jié)爐、真空熱處理爐、PVD爐等，由于設(shè)備工作溫度高，單爐處理時(shí)間長(zhǎng)，是整個(gè)燒結(jié)釹鐵硼生產(chǎn)過程中能耗最大的環(huán)節(jié)。在工作過程中，燒結(jié)設(shè)備的冷卻是一個(gè)重要問題，目前主要的冷卻方法是往設(shè)備內(nèi)通入30℃左右的冷卻循環(huán)水，一方面對(duì)高溫部件進(jìn)行物理保護(hù)，一方面協(xié)助設(shè)備進(jìn)行工藝條件實(shí)現(xiàn)（如溫控精度、冷卻速度）。本文以A公司燒結(jié)車間配套的閉式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)為例，介紹該工程的總體方案設(shè)計(jì)、選型、實(shí)施和運(yùn)行管理等具體應(yīng)用。

1 燒結(jié)車間冷卻循環(huán)水系統(tǒng)重點(diǎn)問題

1.1 設(shè)備及用水量

對(duì)于真空燒結(jié)爐、真空熱處理爐等設(shè)備，工作溫度長(zhǎng)期保持在900℃以上，大部分時(shí)間以維持大水量、保持燒結(jié)室的結(jié)構(gòu)安全為主；即使是在冷卻階段，通過風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)經(jīng)換熱器冷卻工作室，從300℃降低到室溫，該過程中熱交換一二次側(cè)的溫差仍比較大，對(duì)水溫敏感程度低，維持在30℃左右并保持水量即可；對(duì)于PVD爐等需要冷卻靶材或線圈的設(shè)備，要求精確控制低水溫15～20℃，以保證工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)，這類設(shè)備往往用水量較燒結(jié)爐小得多。

1.2 水質(zhì)要求

因設(shè)備工作溫度高，對(duì)水質(zhì)有一定要求：首先要求循環(huán)水中的鈣鎂離子濃度低；其次要求對(duì)微生物進(jìn)行控制，以降低燒結(jié)設(shè)備水套、換熱器和管道的內(nèi)壁結(jié)垢速度，減少黏泥，防止堵塞管道或降低換熱效率。

1.3 水壓控制

對(duì)于燒結(jié)設(shè)備的主要用水點(diǎn)：爐體爐門水套、風(fēng)機(jī)換熱器、擴(kuò)散泵、以及插板閥等部件，水路數(shù)量多、管徑差異大、水量和壓力損失差異很大，為了保證各個(gè)用水部件的水量，在設(shè)備上均設(shè)計(jì)有分水器和集水器，集水器大多采用開放模式，聯(lián)通大氣壓，這樣即使在水壓很小的情況下，各回路都能正常冷卻，并且這種方式能直觀的觀察和判斷設(shè)備用水情況。在實(shí)際應(yīng)用中，水系統(tǒng)一般需要帶整個(gè)車間的設(shè)備，因而需要覆蓋用水點(diǎn)的距離差異和供回水條件的差異，一般按照恒壓供水進(jìn)行設(shè)計(jì)，水壓以保證最遠(yuǎn)端設(shè)備的正常用水為準(zhǔn)。系統(tǒng)根據(jù)用水設(shè)備數(shù)量變化引起的水壓變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到工藝要求下的最低用能。

1.4 安全和備用

燒結(jié)過程為高溫過程，中途一旦停水，在高達(dá)1000℃以上的溫度下，除產(chǎn)品性能受到影響之外，將對(duì)爐體、爐門、風(fēng)機(jī)等部件可能造成不可逆的永久損壞，甚至?xí)鹫羝麌娚浜腿藛T安全事故。因此，需要做充分的冗余設(shè)計(jì)和安全考量，嚴(yán)防停水事故的發(fā)生，以及萬一事故發(fā)生的后果防范。

1.5 冬季防凍和夏季極熱

水系統(tǒng)面臨冬季和夏季兩種極端氣候下的巨大熱負(fù)荷波動(dòng)，因此有必要區(qū)別對(duì)應(yīng)；如夏季發(fā)揮冷卻系統(tǒng)100%效能的話，在冬季可能不到40%，如果不能靈活調(diào)整系統(tǒng)，將造成極大的能源浪費(fèi)。并且在北方地區(qū)，冬季需要重點(diǎn)防范循環(huán)水結(jié)冰的問題：一旦結(jié)冰，短期內(nèi)無正常供水，生產(chǎn)停滯；更甚者可能導(dǎo)致冷卻塔或水管凍裂，恢復(fù)的時(shí)間和難度更大，往往會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.6 節(jié)能運(yùn)行

燒結(jié)工序能耗大，長(zhǎng)期的加熱、降溫過程以及貫穿始終的真空系統(tǒng)是主要用能動(dòng)作。例如，在燒結(jié)釹鐵硼材料的燒結(jié)過程中，300kg爐的燒結(jié)和熱處理兩序電耗超過1200kWh/爐，占整個(gè)材料生產(chǎn)電耗的50%以上。而燒結(jié)爐配套的循環(huán)冷卻水的用電則占燒結(jié)爐電耗的20%左右，其中以動(dòng)力系統(tǒng)（水泵）的能耗為主，其次是冷卻系統(tǒng)（冷卻塔）。如何在水系統(tǒng)的動(dòng)力和冷卻部分做相應(yīng)的節(jié)能設(shè)計(jì)，將直接影響到生產(chǎn)成本，意義重大。

2 工程設(shè)計(jì)及實(shí)施

2.1 閉式循環(huán)系統(tǒng)

燒結(jié)類設(shè)備的用水點(diǎn)數(shù)量多、各路流量差異大，目前行業(yè)內(nèi)主要采用開式系統(tǒng)：即熱水池中的熱水經(jīng)泵至冷卻塔冷卻后回流至冷水池，冷水經(jīng)泵供給車間設(shè)備，給水由設(shè)備自帶的分水器分到各用水點(diǎn)，各路回水至開放式集水器中，經(jīng)回水干管匯流到熱水池。這種方式可方便直觀地觀察每路用水點(diǎn)的情況，并進(jìn)行調(diào)整，平衡各路用水量。缺點(diǎn)是水質(zhì)難以維護(hù)，長(zhǎng)期運(yùn)行引起設(shè)備的水套、冷卻器和管路結(jié)垢和腐蝕嚴(yán)重，影響使用壽命和設(shè)備性能。

A企業(yè)燒結(jié)車間設(shè)備價(jià)值和工藝穩(wěn)定性要求都比較高，因此對(duì)水質(zhì)要求嚴(yán)格，首選采用閉式系統(tǒng)，主要設(shè)備為逆流式閉式冷卻塔。閉式循環(huán)系統(tǒng)中冷卻水與外界環(huán)境直接接觸，可以防止粉塵、微生物、有害離子和其他介質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)，長(zhǎng)期運(yùn)行效果較好。該系統(tǒng)中冷卻水為循環(huán)使用，蒸發(fā)量很小，因此考慮使用純水，并根據(jù)運(yùn)行水質(zhì)狀況加入適量的防腐劑、抑菌劑等藥劑。閉式冷卻塔的噴淋水蒸發(fā)量大，并且需要與外界環(huán)境接觸，設(shè)計(jì)使用軟化水，以降低長(zhǎng)期運(yùn)行過程中水垢的積累對(duì)冷卻塔效果的影響。

2.2 水溫

根據(jù)燒結(jié)爐、熱處理爐等設(shè)備的特點(diǎn)，結(jié)合燒結(jié)爐用水要求及經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)供水水溫32℃，回水溫度37℃。

2.3 水量確定

根據(jù)車間設(shè)備用水量核算所需水量為：15t/h/臺(tái)×4臺(tái)=60（t/h），設(shè)備及管道內(nèi)的系統(tǒng)水量約為5t。

2.4 冷卻塔選型

根據(jù)系統(tǒng)水量及水溫要求，選定良機(jī)品牌LNCM—65型閉式冷卻塔，由于車間內(nèi)外的場(chǎng)地限制，無法再新增工藝設(shè)備、無須預(yù)留富裕水量。該型冷卻塔循環(huán)水量65t/h，標(biāo)準(zhǔn)工況為37℃給水32℃回水。本案再通過其他措施優(yōu)化設(shè)備用水方案，適當(dāng)平衡熱負(fù)荷，以降低對(duì)冷卻設(shè)備的要求。

2.5 水力計(jì)算

循環(huán)水管路的損失約為0.02Mpa，沿程高差損失約為0.05MPa用水設(shè)備的損失小于0.2MPa。經(jīng)查冷卻塔技術(shù)參數(shù)，其內(nèi)部盤管的典型壓力損失為0.1MPa；因此，在系統(tǒng)水不經(jīng)冷卻塔的情況下，系統(tǒng)壓力損失約0.27MPa，對(duì)應(yīng)水泵的揚(yáng)程應(yīng)在27m以上；在系統(tǒng)水經(jīng)冷卻塔的情況下，系統(tǒng)壓力損失約0.37MPa，揚(yáng)程應(yīng)在37m以上；在熱水經(jīng)塔直接回冷水池的情況下，揚(yáng)程應(yīng)在15m以上。

2.6 集水箱和泄壓功能配置

閉式系統(tǒng)一般會(huì)存在多個(gè)回水點(diǎn)壓力不平衡引起的水量不均問題，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)部分管路無回水的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備受損。為了解決這個(gè)問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)半地下式集水箱，并在水箱內(nèi)焊接密封的PVC內(nèi)膽，以達(dá)到以下目的：（1）集水后泄壓；（2）保護(hù)水質(zhì)密閉不收污染；（3）提供一定的系統(tǒng)水容量，利于啟停泵和設(shè)備檢修時(shí)卸水；（4）在冬季可以利用地坑自然散熱，并有一定的防凍作用。

水箱分為冷水箱和熱水箱，下半段是分離結(jié)構(gòu)，頂端是連通結(jié)構(gòu)，在熱水箱滿后可溢流至冷水箱，冷熱水箱的動(dòng)態(tài)調(diào)整容量稍大于系統(tǒng)水量，以保證停機(jī)時(shí)系統(tǒng)水的回流。本案中由于場(chǎng)地限制，采用半地下一體澆筑的混凝土地坑，冷熱水容量各約10t，坑內(nèi)焊PVC內(nèi)膽，并將冷卻塔放置于坑頂以節(jié)省空間。

2.7 排氣閥及卸水點(diǎn)的設(shè)置

閉式循環(huán)水系統(tǒng)需在管道最高點(diǎn)（一般是末端）設(shè)置排氣閥，以防形成局部氣阻或氣蝕，影響水流和水量分布。另外，由于系統(tǒng)封閉性，涉及設(shè)備檢修的情況下，需要有低位卸水點(diǎn)，因此需要在設(shè)備進(jìn)出口、泵的進(jìn)出口均設(shè)置閥門，在低點(diǎn)設(shè)置卸水閥門。在冬季部分室外的管道切換不用的情況下，必須將這部分管道中的水放凈以防凍裂，因此，需在相應(yīng)管道前后閥門間設(shè)置卸水點(diǎn)。

2.8 儀表配置

閉式循環(huán)水系統(tǒng)中水泵前、后，設(shè)備進(jìn)、出水口，需要分別安裝壓力表；管道末端需要安裝壓力傳感器作為恒壓供水的控制信號(hào)；在給、回水主管和室外環(huán)境分別安裝溫度傳感器，作為控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的信號(hào)；在設(shè)備集水器的每個(gè)回路中安裝水流開關(guān)，作為監(jiān)督水量的報(bào)警信號(hào)。

2.9 安全配置

按常規(guī)做法，應(yīng)設(shè)置備用泵防止水泵故障；應(yīng)設(shè)置柴油機(jī)泵或高位應(yīng)急水箱，作為非電情況下的緊急應(yīng)對(duì)措施。本案中供水泵均為一用一備；因場(chǎng)地限制和安全環(huán)保等限制性政策，兩項(xiàng)非電情況的安全措施不具備實(shí)施條件。考慮本車間循環(huán)水量較小，因此本案將自來水和應(yīng)急消防水作為應(yīng)急水源，在消防栓和自來水接口處預(yù)留快速接頭，但不直接連通到本系統(tǒng)，以防誤操作影響系統(tǒng)水質(zhì)。一旦發(fā)生停電，工人迅速將水龍帶接到自來水和應(yīng)急水快速接頭處，關(guān)閉外部主管路的閥門防止破壞整個(gè)系統(tǒng)水質(zhì)，并打開主管路上的卸水開關(guān)，可以在幾分鐘內(nèi)完成切換，保證設(shè)備安全，并保持室外地坑和管道內(nèi)的大部分純水不受影響。

2.10 閉式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)圖

綜合以上設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 水系統(tǒng)圖

具體配置如下：

冷卻塔：1臺(tái)逆流式密閉冷卻塔LNCM—65（良機(jī)），Q=65t,N=10Kw；

熱水泵：2臺(tái)KQL100/140S-7.5/2（凱泉），Q=80t/h，H=24m，N=7.5kW；

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

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

3 運(yùn)行控制和管理

針對(duì)A企業(yè)所處北方地區(qū)的冬季長(zhǎng)、冬季冷、全年溫差大的氣候特征，系統(tǒng)設(shè)計(jì)3種運(yùn)行模式。

3.1 夏季運(yùn)行模式

如圖2所示，在熱負(fù)荷大的季節(jié)（夏季及春秋季部分時(shí)段），開啟閥門F1、F3、F4、F6，關(guān)閉閥門F2、F5，熱水泵將熱水打入冷卻塔冷卻后，自然回流至冷水箱，冷水泵將冷水供至車間內(nèi)設(shè)備，設(shè)備回?zé)崴?jīng)主管匯流至熱水箱，不平衡部分水量通過水箱間溢流自然均衡。熱水泵一用一備，冷水泵優(yōu)先開啟大流量泵，以大水量增加換熱量，小流量泵作為備用。

圖2 夏季運(yùn)行模式

3.2 冬季運(yùn)行模式

如圖3所示，在散熱條件好、熱負(fù)荷不大的季節(jié)（春秋冬季部分時(shí)段），開啟閥門F2、F5，關(guān)閉閥門F1、F3、F4、F6。該模式下系統(tǒng)水不經(jīng)過水箱，冷水泵將水供至車間內(nèi)燒結(jié)爐，設(shè)備回?zé)崴?jīng)主管匯流至冷卻塔內(nèi)冷卻，再通過冷水泵供至車間。熱水泵全部停用，冷水泵優(yōu)先開啟小流量泵，獲得較高的水壓以克服冷卻塔的水壓損失，大流量泵作為備用。這種模式熱水泵停用，節(jié)能效果明顯；多余的系統(tǒng)水存入水箱下半段，可防結(jié)冰。

圖3 冬季運(yùn)行模式

3.3 極寒運(yùn)行模式

如圖4所示，在極寒條件下（寒冬），開啟閥門F1、F6，關(guān)閉閥門F2、F3、F4、F5。該模式下系統(tǒng)水不經(jīng)過冷卻塔，冷卻塔放空以規(guī)避凍裂的問題。冷水泵將水供至車間內(nèi)燒結(jié)爐，設(shè)備回?zé)崴?jīng)主管匯流至熱水箱中，再溢流至冷水箱，通過冷水泵供至車間。由于車間內(nèi)和室外溫度極低，通過室內(nèi)外的自然散熱已基本能滿足設(shè)備散熱；同樣，該模式下熱水泵和冷卻塔全部停用，節(jié)能效果明顯；冷卻塔放空解決了結(jié)冰之憂；系統(tǒng)水位于半地下，可兼顧自然散熱和保溫防凍。

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行控制

圖4 極寒運(yùn)行模式

首先，為保證用水設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，以及管理的直觀和方便，業(yè)內(nèi)一般都對(duì)供水壓力進(jìn)行管控，本案采用恒壓供水方案。由于車間設(shè)備少、分布集中，可通過供水管道末端的壓力來控制冷水泵的運(yùn)行頻率，進(jìn)行恒壓供水。在冷卻塔的水溫控制上，以供水總管、回水總管、環(huán)境溫度3項(xiàng)作為參考，進(jìn)行分段PID模糊控制，保持溫度在一段時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性。

其次，考慮燒結(jié)車間內(nèi)生產(chǎn)排產(chǎn)和工藝節(jié)奏的特點(diǎn)，4臺(tái)設(shè)備的裝爐時(shí)間先后會(huì)錯(cuò)開30min以上，并且在80%以上的高溫恒溫?zé)Y(jié)時(shí)段內(nèi)，設(shè)備對(duì)水溫不敏感，僅在最后的冷卻時(shí)段需要保證水溫和水量穩(wěn)定，以確保冷卻速度不影響產(chǎn)品性能。據(jù)此對(duì)燒結(jié)爐風(fēng)機(jī)冷卻器的供水設(shè)置2檔控制，即：常規(guī)時(shí)段為一檔，開啟一路供水，水量為原正常水量的60%左右；冷卻時(shí)段為二擋，開啟兩路供水，水量可達(dá)原正常水量的120%，加強(qiáng)水量以防水溫的不足。該方法在保證設(shè)備性能的前提下，降低大部分時(shí)間段的用水量，并可適當(dāng)降低工藝設(shè)備對(duì)水溫的要求，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的效果。

再者鑒于燒結(jié)爐的連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，一般釹鐵硼行業(yè)內(nèi)的燒結(jié)爐工作時(shí)間多在12～30h，視為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此循環(huán)水一般是長(zhǎng)流水形式；實(shí)際在常溫和低溫狀態(tài)下的抽真空、進(jìn)出料、檢修、等待等時(shí)段內(nèi)，冷卻水是無效或部分無效的，長(zhǎng)流水白白損失了大量的水力，加重了水泵的負(fù)擔(dān)，浪費(fèi)了電能。本案中增加單體設(shè)備給水的電磁閥，并與設(shè)備聯(lián)動(dòng)，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)段用水，停機(jī)、待機(jī)時(shí)段關(guān)停，配合回水分路的水流開關(guān)形成報(bào)警系統(tǒng)，協(xié)助生產(chǎn)人員的點(diǎn)檢和管理。由于給水和回水管道都處于高位，即使在給水電磁閥關(guān)閉的狀態(tài)下，設(shè)備所有用水點(diǎn)仍會(huì)保持充滿水的狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)干燒的情況；通過對(duì)低效、無效的用水控制，降低運(yùn)行水量，進(jìn)而利用恒壓控制系統(tǒng)降低供水泵頻率，達(dá)到節(jié)能的效果。尤其是在產(chǎn)能負(fù)荷不高的情況下，節(jié)能效果更加明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

閉式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)用于釹鐵硼磁體燒結(jié)車間，能直接提高燒結(jié)爐、熱處理爐及附屬部件的換熱效率并延長(zhǎng)其使用壽命。本案水系統(tǒng)在水質(zhì)保證、運(yùn)行安全保障、多模式節(jié)能運(yùn)行、降低系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)力等方面優(yōu)勢(shì)突出，綜合效益顯著，有行業(yè)推廣應(yīng)用意義。