真空退火爐軟水冷卻系統(tǒng)改造方案設(shè)計

張宏軍，王文博，劉 杰，席波濤，陳 鑫，王 正

（西安西部新鋯科技股份有限公司，陜西西安 710299）

0 引言

真空退火爐是用于稀有金屬熱處理工序的關(guān)鍵設(shè)備，冷卻水系統(tǒng)是真空退火爐設(shè)備的主要組成部分，冷卻水系統(tǒng)的實際冷卻效果達標（滿足設(shè)計使用要求）是設(shè)備可靠穩(wěn)定運行的重要保障。一般來說，真空退火爐冷卻水主要為爐殼、爐蓋、電極、熱交換器及真空系統(tǒng)等進行冷卻。

板材臥式真空退火爐的冷卻水系統(tǒng)分為循環(huán)水冷卻系統(tǒng)和軟水冷卻系統(tǒng)，循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的冷卻水來自廠區(qū)閉式冷卻塔，通過循環(huán)泵將冷卻處理后的工業(yè)循環(huán)水輸送到爐殼、爐蓋、熱換熱器，對其進行循環(huán)冷卻，目前滿足使用要求；軟水冷卻系統(tǒng)是獨立的工業(yè)軟水冷卻機組，主要對電極及擴散泵進行冷卻，設(shè)備在夏季連續(xù)作業(yè)時，冷卻水回水溫度會持續(xù)上升，超過工藝要求的55 ℃，不滿足設(shè)備安全使用要求，存在安全隱患。

1 概述

本次改造主要針對工業(yè)軟水冷卻系統(tǒng)。工業(yè)軟水冷卻系統(tǒng)主要由水箱、離心水泵、板式換熱器及管路、閥門、水溫檢測傳感器、流量計及控制電路等組成，為板材臥式真空退火爐擴散泵及電極提供冷卻。板材臥式真空退火爐軟水冷卻水系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 軟水冷卻水系統(tǒng)原理

板材臥式真空退火爐軟水冷卻系統(tǒng)主要部位有：前爐門溫區(qū)電極、后爐門溫區(qū)電極、爐室6 個溫區(qū)電極以及4 臺擴散泵。每個溫區(qū)采用3 個電極串聯(lián)冷卻形式，4 臺擴散泵并聯(lián)獨立冷卻。軟水冷卻水系統(tǒng)連接如圖2 所示。

圖2 軟水冷卻水系統(tǒng)連接

通過圖2 可以看出，軟水冷卻水系統(tǒng)主要由純水冷卻器及管路連接而成。其中純水冷卻器分別是由水箱、水泵以及板式換熱器組成。冷卻系統(tǒng)的核心是板式換熱器，板式換熱器屬于一種高效節(jié)能型換熱設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)緊湊，具有高效節(jié)能等特征，已大量應(yīng)用在各領(lǐng)域。廠內(nèi)外循環(huán)水的主要冷源是廠區(qū)內(nèi)的閉式冷卻塔，用于板式換熱器的外水降溫，具體參數(shù)見表1。

表1 閉式冷卻塔參數(shù)

2 改造原因及目的

根據(jù)板材臥式真空退火爐設(shè)備說明書：冷卻水系統(tǒng)“進水溫度5～35 ℃（夏季）、出水溫度＜55 ℃（在最高進水溫度下）”。即全年設(shè)備運行狀態(tài)應(yīng)處于進水溫度不超過35 ℃，且出水溫度不超過55 ℃的穩(wěn)定狀態(tài)。但在實際生產(chǎn)作業(yè)中，軟水冷卻水系統(tǒng)的出水溫度伴隨著工藝過程進行而持續(xù)升高。

目前，設(shè)備在夏季連續(xù)作業(yè)時，軟水冷卻系統(tǒng)進、出水溫度逐漸升高，在開啟純水冷卻器的前提下，出水溫度可達55 ℃，遠超設(shè)備的設(shè)計指標要求。

為保護設(shè)備安全，在設(shè)備運行過程中，操作人員不得不采用應(yīng)急水進行降溫，將水箱中的熱水自地溝排出，同時向軟水冷卻系統(tǒng)中加入應(yīng)急水進行降溫。因此，從設(shè)備安全和穩(wěn)定性兩方面考慮，需對現(xiàn)有軟水冷卻水系統(tǒng)進行改造，旨在為退火爐擴散泵和加熱電極匹配適合的冷卻水系統(tǒng)，使電極及擴散泵出水溫度穩(wěn)定至55 ℃以下。

3 改造思路

對現(xiàn)有冷卻水系統(tǒng)改造，一方面保留現(xiàn)有冷卻水系統(tǒng)用于立式真空退火爐擴散泵和電極冷卻系統(tǒng)；另一方面，為板材臥式真空退火爐新（增）設(shè)計一套冷卻水系統(tǒng)，確保板材臥式真空退火爐回水溫度≤55 ℃，保證設(shè)備安全、穩(wěn)定運行。該冷卻水系統(tǒng)采用軟化水（以下統(tǒng)稱為內(nèi)循環(huán)水）對電極、擴散泵進行循環(huán)冷卻，采用工業(yè)循環(huán)水（以下統(tǒng)稱為外循環(huán)水）通過板式換熱器的方式對軟化水進行冷卻。

根據(jù)熱力學互相作用原理，在不考慮空氣熱交換等因素的條件下，退火爐發(fā)熱功率與冷卻系統(tǒng)散熱功率相等時，冷卻水水溫將保持穩(wěn)定，即單位時間內(nèi)加熱系統(tǒng)所做的功與散熱系統(tǒng)吸收的功相等。

為板材臥式真空退火爐設(shè)計一套新冷卻水系統(tǒng)，就需要對設(shè)備在運行過程中對循環(huán)水的加熱功率進行準確地測量和計算。

4 測試過程

退火爐全流程作業(yè)需經(jīng)過升溫階段（T1）、均溫階段（T2）、二次升溫階段（T3）、保溫階段（T4）和降溫階段（圖3）。隨著工藝過程的進行，爐室溫度逐漸升高，其中T2階段為500 ℃左右，T4階段根據(jù)工藝不同溫度為550～600 ℃。因此，需要通過帶料試驗，測得各升溫階段中冷卻循環(huán)水進出口水溫的最大溫差。本次測試過程T4階段溫度為550 ℃。

圖3 退火爐作業(yè)過程中的加熱階段

5 溫度計、流量計布置情況

目前，設(shè)備的各個管路均設(shè)置有測溫點（流量開關(guān)型號為SMC PF3W740-F04-BT-M），新增進水及總回水采用DTM-280 型工業(yè)溫度計進行溫度測量，測溫點溫度計經(jīng)計量院校準合格，測溫點分布如圖4 所示。

圖4 測溫點分布情況

6 試驗過程

目前在僅使用冷卻水系統(tǒng)的條件下，循環(huán)水水溫將迅速升高。為了保證測量過程數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性，設(shè)備測試過程中，開啟應(yīng)急水進行輔助降溫，同時開啟板式換熱器外水循環(huán)、開啟冷卻循環(huán)系統(tǒng)及制冷機，循環(huán)系統(tǒng)各位置流量見表2。設(shè)備按工藝要求啟動并開始抽空、加熱，隨即開始計時，每隔15 min 記錄新增進水溫度計及總回水溫度計數(shù)值顯示，爐溫降至350 ℃時開始強制冷卻，結(jié)束記錄（表3）。

表2 冷卻循環(huán)系統(tǒng)各位置流量 L/min

表3 退火爐進水溫度、回水溫度及爐室溫度（節(jié)選）℃

7 試驗結(jié)果

各工藝階段，設(shè)備進、回水溫差見表4。由于前后爐門與6 組電極回水溫度基本一致，4 臺擴散泵回水溫度也基本一致，考慮到記錄位置間隔較遠，數(shù)據(jù)記錄時僅對后爐門電極和擴散泵D 的回水溫度進行了記錄。

表4 設(shè)備總進、回水溫差 ℃

根據(jù)升溫功率計算公式：

式中 P——升溫功率，kW

C——水的比熱容，取4.2 kJ/（kg·℃）

m——水的流量，kg/h

Δt——進、回水溫差，℃

總回水流量m=114 L/min=6840 kg/h，代入式（1）計算，結(jié)果見表5。

表5 各階段升溫功率 kW

8 結(jié)果分析

通過測量設(shè)備進、回水位置溫度可知，設(shè)備運行過程中進回水溫差與擴散泵運行狀態(tài)緊密關(guān)聯(lián)，隨著擴散泵運行至保溫階段（最高溫度），冷卻循環(huán)系統(tǒng)進回水溫差逐漸擴大并趨于穩(wěn)定，隨著強冷階段擴散泵關(guān)閉，冷卻循環(huán)系統(tǒng)進回水溫差逐漸減小。

整個退火爐工作過程中，冷卻循環(huán)系統(tǒng)受4 組擴散泵溫度影響遠大于電極影響，爐溫對冷卻循環(huán)系統(tǒng)影響較小。同時，擴散泵平均流量為8.8 L/min，進出水最大溫差為22.9 ℃；電極平均流量為9.3 L/min，進出水最大溫差為1.9 ℃。

冷卻水在循環(huán)水系統(tǒng)中不斷循環(huán)，由于水溫升高，水被不斷蒸發(fā)，各種有機物質(zhì)及無機離子濃縮，產(chǎn)生嚴重的沉積物附著。輕微的結(jié)垢會造成管路堵塞、惡化換熱效率。經(jīng)查詢，整機功率為60 kW 的純水冷卻器內(nèi)循環(huán)水流量應(yīng)達到12 m3/h，而目前該系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流量僅6.8 m3/h，因此，需要對管路及泵組進行更換擴容。

通過計算和綜合評估，新設(shè)計增加的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)滿足的工藝參數(shù)見表6。

表6 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)要求工藝參數(shù)

9 新增冷卻水系統(tǒng)技術(shù)方案

9.1 新增內(nèi)、外循環(huán)水流量計算

根據(jù)式（1）計算新增冷卻水系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水流量。

由于Q＞100 kW，取系數(shù)1.25，則Q＝125 kW；進出水溫差Δt≤10 ℃，按7 ℃溫差進行設(shè)計，代入式（1）計算可得m＝15.35 m3/h≈16 m3/h，滿足m＞8.5 m3/h的要求。

新增冷卻水系統(tǒng)外循環(huán)水流量。

由于進出水溫差Δt≤5 ℃，按4.5 ℃進行設(shè)計，代入式（1）計算可得m＝23.89 m3/h≈24 m3/h

這里，外循環(huán)水冷卻容量等于內(nèi)循環(huán)水冷卻容量，滿足使用要求；內(nèi)循環(huán)水流量16 m3/h，進出水溫差7 ℃；外循環(huán)水流量24 m3/h，進出水溫差4.5 ℃。按照以上參數(shù)選型開式板式換熱器，作為換熱冷卻設(shè)備，通過板式換熱器對外循環(huán)水側(cè)對內(nèi)循環(huán)軟化水側(cè)進行冷卻，以保證板材臥式真空退火爐的正常穩(wěn)定運行。

9.2 新增內(nèi)外循環(huán)冷卻水管徑計算

外循環(huán)冷卻水來自開式冷卻塔，正常供出水溫為32～37 ℃，水溫溫差4.5 ℃，按125 kW 冷量計算4.5 ℃水溫差的制冷循環(huán)水量正常應(yīng)為24 m3/h。根據(jù)冷卻水管道管徑計算公式：

式中 d——水管直徑，mm

G——水流量，取24 m3/h

ω——冷卻水流速，m/s

d＜200 mm 時ω＝1.5～2 m/s，取2 m/s。代入式（2）計算可得：d＝×24/（3600×3.14×2）×1000≈65 mm，即DN65。

同理，按125 kW 冷量計算7 ℃水溫差的制冷循環(huán)水量正常應(yīng)為16 m3/h。按冷卻水管道管徑計算公式：d＝×16/（3600×3.14×2）×1000≈50 mm，即為DN50。

9.3 內(nèi)循環(huán)開式補水箱選型大小

一般按內(nèi)循環(huán)水流量5%～10%選型開式補水箱大小，內(nèi)循環(huán)水量按16 m3/h 計算。因安裝空間有限，取水箱大小為16×7%＝1.12 m3，按1 m×0.7 m×1.6 m（長×寬×高）制作不銹鋼水箱。

9.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

新設(shè)計的冷卻水控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、溫度傳感器、流量計及控制電路組成。控制系統(tǒng)采集檢測4 組擴散泵冷卻管路出口、前后爐門及6 組電極冷卻管出口12 個管路位置的流量、溫度的報警信號（快關(guān)量信號），同時采集監(jiān)測內(nèi)循環(huán)進水口、內(nèi)循環(huán)總回水、外循環(huán)進水口的流量、溫度信號（數(shù)顯+模擬量信號），并設(shè)置流量、溫度異常報警。新設(shè)計的控制系統(tǒng)給板材臥式真空退火爐設(shè)備控制主機1 個總的報警反饋信號。當冷卻水系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，在設(shè)備主機顯示屏顯示冷卻水系統(tǒng)報警，提示操作人員冷卻水系統(tǒng)故障，并在冷卻水控制系統(tǒng)觸摸屏上具體顯示故障部位及故障信息，方便維修人員故障診斷及排除。同時，可以在觸摸屏上進行冷卻水系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整操作。

10 結(jié)束語

根據(jù)測試和計算結(jié)果，內(nèi)循環(huán)水量16 m3/h，設(shè)備出水溫度45 ℃。設(shè)備出水經(jīng)板式換熱器散熱降溫，出水降低7 ℃，水溫由45 ℃降低至38 ℃。然后，38 ℃的低溫出水在內(nèi)循環(huán)水泵加壓下，進入發(fā)熱真空退火爐擴散泵、電極進行熱交換，升溫7 ℃至45 ℃，再進入板式換熱器，如此反復循環(huán)。此外，外循環(huán)進水水溫32 ℃，內(nèi)循環(huán)進水水溫≤38 ℃，溫差為6 ℃。設(shè)備循環(huán)水出水溫度可穩(wěn)定至55 ℃以下，滿足設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性。