鑄鋼件淬火水池循環水深度冷卻系統的研究與應用

白宏偉，申國強，趙大為，閆少華，林玉東，陳 剛

（1.機械工業第六設計研究院有限公司，河南鄭州 450007；2 中國電子工程設計院河南分公司，河南鄭州 450007；3.泰鋼合金有限公司，廣東中山 528400）

鑄鋼件淬火水池熱水溫度在淬火前有嚴格的要求，一般不高于35℃，淬火后一般不高于50℃[1]，通常設計足夠大的水池，用單級冷卻塔冷卻方式，但當地夏季天氣溫度很難低于31℃。采用補充冷水平衡溫度的方式由于受污水零排放的環保限制而禁用，加冰調節溫度的方式對大型水池顯然不適用。隨著科技發展對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發展需求[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現系統。研究和設計淬火水池深度冷卻方式及系統就成為迫切需要解決的難題。

1 大型低溫水介質淬火系統需求

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，鑄件日產量基準30t，考慮遠期發展和高性能材質鑄件需求，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將水溫從30℃冷卻到15℃，時間最短為0 點到8 點的8h。

（1）水量計算

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）熱量釋放計算

目標：在8h 內從30℃冷到15℃，單位小時平均釋放熱量：

式中，Q1為單位小時平均釋放熱量（kJ）；G 為水的質量（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行熱能轉移，即制冷單位小時平均量Q2≥Q1=3260400kJ。制冷機制冷量：

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

（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）。單爐淬火導致水池循環水最大溫升：△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（℃）。實際工件平均8t，則實際平均溫升為：△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℃、調質淬火溫度930℃情況，在8h 內能冷卻到16.5℃即可。

2 基于冷水機組和板式換熱器的串聯間接冷卻系統

單級冷卻塔冷卻方式受到當地氣溫濕球溫度限制（中山濕球溫度28℃），原則上冷卻塔出水逼近溫度為：T2=28+3=31（℃）。中山屬于亞熱帶，夏季高溫季時間較長，故低于31℃水溫要求的冷卻就屬于循環水低溫深度冷卻，需要更低溫度的冷源及實現系統。

工業用螺桿冷水機組可以提供5～15℃的冷凍水，允許進出水溫差大且可調，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[3]。所設計的系統組成如圖1 所示。

圖1 基于冷水機組和板換交換的淬火水池熱水深度冷卻循環系統

在自吸水泵和冷卻塔之間增加螺桿冷水機組和板式換熱器，將普通的一級冷卻循環變為依次串聯而又獨立的三個子循環。冷水機組蒸發端可以產生低溫達7℃的冷水，通過板式換熱器快速高效換熱，將首端循環的水池熱水冷卻到最低15℃，突破單級冷卻塔方式由于受到季節天氣濕球溫度限制而難于低于31℃的技術指標，滿足特殊、高性能淬火要求。

自吸循環泵（4）通過進水管（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子系統1。

板式換熱器（6）與螺桿冷水機組（10、11）通過內循環管道泵（9）、內循環水管（8）、內循環水管（12）相連接，組成封閉的冷水中間內循環子系統2。設有自動補水穩壓裝置。循環管道泵兩用一備。

螺桿冷水機組（10、11）與開式冷卻塔（13）通過外循環管道泵（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3。外循環管道泵兩用一備，與冷水機組配合使用。

在管道中設置必要的減震軟接頭、過濾器、手動蝶閥、單向閥等附件。

單個960kW 制冷能力主機體積大，受場地限制難以布置，也不滿足動力設備備用的要求，設計為兩個主機冷水機組并聯使用，單機制冷能力為480kW，共計960kW。內循環是封閉的，可以單機獨立使用，也可以兩臺同時使用，實現靈活的階梯使用效果和備用安全要求。

關聯排污系統。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。排污泵和自吸循環泵為同型號的ZW 系列污水自吸泵，通過閥組切換，達到互為備用目的。污水管接入工廠污水處理系統，達到零排放的環保目標。

整個系統主要布置在3m×12m 的附房內，冷卻塔布置在車間外相鄰空間。為便于管道安裝、維修，以及設備運行管理，和車間之間的圍墻在2.8m 下打通共享，系統相當緊湊，空間很緊張，仍然可設有空間通道，便于檢修和可視化運維。

3 試驗及應用

3.1 首次冷卻試驗

室溫23.0℃，起點水溫26.43℃，時間11:00-19:00，冷水機設定出水溫度10℃,試驗結果如表1 所示,可以深度冷卻到水溫15℃。

表1 冷卻試驗降溫速率1

3.2 二次試驗

室溫24.8℃，起點水溫31.43℃，時間17:00-1:00，冷水機設定出水溫度10℃,試驗結果如表2所示。

表2 冷卻試驗降溫速率2

三個水溫測量點溫差加大超過1℃，說明溫度越高分層越嚴重。考慮冷卻時水池攪拌、水池殘存及多次淬火產生的顆粒物將過濾器堵塞，導致流量減少，冷卻速度降低。換熱效率對流量敏感，過濾器需清理，保持暢通。增加外置過濾網，實現方便的可視沖刷清理。

表3 冷卻試驗降溫速率3

3.3 第三次試驗

室溫25.3℃，起點水溫30.23℃，時間0:00-8:00，冷水機設定出水溫度7℃。

攪拌機停機，在靜穩狀態下冷卻，三個工位水溫測點平均值。調低冷水機出水溫度設定。在9h內冷卻到15℃，接近設計目標。盡管管道進行了保溫，但水泵、板換不能做到完全保溫，與環境仍有一定的冷熱交換。水池液面與環境進行蒸發換熱，受水溫及車間溫度變化的影響；水池四壁與水進行傳導及對流換熱，在相對較高溫度時表現為散熱從而加大降溫速率，在相對較低溫度時表現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律。

使用狀態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 應用

調試后使用狀態穩定，與理論冷卻速率相比，總體表現為前高后低，在18℃后急劇降低，和系統吸熱的負影響有關。同時觀察到冷水機組的輸出功率開始逐步減少，水溫接近15℃時只有約60%，說明由于介質溫差減少板式換熱器效率降低，冷水進出口溫差也小于4℃的效率理想值，雖然也可以進行更低溫的深度冷卻，但效率降低，逼近平衡溫度的時間大大延長。因此，經濟合理的水溫應該在18℃。

冷水機組參數設定后固定，水池溫度數字顯示，并可設定值控制開啟、停止，界面如圖3 所示。

圖3 水池溫度及冷水機參數

靜置狀態下的溫度回升測量如表4 所示，環境溫度23℃。

表4 水池靜態溫度回升

靜態水溫回升先快后慢，日24h 平均回升小于1℃。

3.5 存在問題及處理

冷水機組由于受場地限制和選型因素，制冷能力計算富裕量6%略顯偏低，實際時間延長約14%，綜合各種因素，工程富裕量放大到21%為宜。本例在實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，水溫溫升比計算較低，完全滿足使用要求。同時這是為高性能工件的極端工藝參數而設計，一般工件淬火也不要求淬后水溫低于30℃，應該根據材質工藝要求進行靈活調整。

3.6 系統智能化運行及節能

設置PLC+觸摸屏的控制系統，冷水機參數本機數字化設定及上位遠程開啟控制，水溫測量數字化，在人機界面上設定自動開啟時間和關閉時間及溫度區間設定控制，運行時間設定在谷電時間段的0:00～8:00，節能、經濟。整個系統可以智能操作及無人化運行。

4 結論

（1）冷水機組和板式換熱器的串聯間接冷卻系統，可以實現400t 淬火水池水溫從高于30℃深度冷卻到15℃的目標，擴展了水介質淬火低溫范圍，為生產高性能鑄鋼件提供了技術保障。深度冷卻在靜置狀態下進行為佳，對流量敏感，對過濾器需及時清理。

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

（3）整個系統可以智能操作及無人化運行，嚴格運行在谷電時間區間，實現節能、經濟。