真空退火炉软水冷却系统改造方案设计

张宏军，王文博，刘 杰，席波涛，陈 鑫，王 正

（西安西部新锆科技股份有限公司，陕西西安 710299）

0 引言

真空退火炉是用于稀有金属热处理工序的关键设备，冷却水系统是真空退火炉设备的主要组成部分，冷却水系统的实际冷却效果达标（满足设计使用要求）是设备可靠稳定运行的重要保障。一般来说，真空退火炉冷却水主要为炉壳、炉盖、电极、热交换器及真空系统等进行冷却。

板材卧式真空退火炉的冷却水系统分为循环水冷却系统和软水冷却系统，循环水冷却系统的冷却水来自厂区闭式冷却塔，通过循环泵将冷却处理后的工业循环水输送到炉壳、炉盖、热换热器，对其进行循环冷却，目前满足使用要求；软水冷却系统是独立的工业软水冷却机组，主要对电极及扩散泵进行冷却，设备在夏季连续作业时，冷却水回水温度会持续上升，超过工艺要求的55 ℃，不满足设备安全使用要求，存在安全隐患。

1 概述

本次改造主要针对工业软水冷却系统。工业软水冷却系统主要由水箱、离心水泵、板式换热器及管路、阀门、水温检测传感器、流量计及控制电路等组成，为板材卧式真空退火炉扩散泵及电极提供冷却。板材卧式真空退火炉软水冷却水系统原理如图1 所示。

图1 软水冷却水系统原理

板材卧式真空退火炉软水冷却系统主要部位有：前炉门温区电极、后炉门温区电极、炉室6 个温区电极以及4 台扩散泵。每个温区采用3 个电极串联冷却形式，4 台扩散泵并联独立冷却。软水冷却水系统连接如图2 所示。

图2 软水冷却水系统连接

通过图2 可以看出，软水冷却水系统主要由纯水冷却器及管路连接而成。其中纯水冷却器分别是由水箱、水泵以及板式换热器组成。冷却系统的核心是板式换热器，板式换热器属于一种高效节能型换热设备，由于其结构紧凑，具有高效节能等特征，已大量应用在各领域。厂内外循环水的主要冷源是厂区内的闭式冷却塔，用于板式换热器的外水降温，具体参数见表1。

表1 闭式冷却塔参数

2 改造原因及目的

根据板材卧式真空退火炉设备说明书：冷却水系统“进水温度5～35 ℃（夏季）、出水温度＜55 ℃（在最高进水温度下）”。即全年设备运行状态应处于进水温度不超过35 ℃，且出水温度不超过55 ℃的稳定状态。但在实际生产作业中，软水冷却水系统的出水温度伴随着工艺过程进行而持续升高。

目前，设备在夏季连续作业时，软水冷却系统进、出水温度逐渐升高，在开启纯水冷却器的前提下，出水温度可达55 ℃，远超设备的设计指标要求。

为保护设备安全，在设备运行过程中，操作人员不得不采用应急水进行降温，将水箱中的热水自地沟排出，同时向软水冷却系统中加入应急水进行降温。因此，从设备安全和稳定性两方面考虑，需对现有软水冷却水系统进行改造，旨在为退火炉扩散泵和加热电极匹配适合的冷却水系统，使电极及扩散泵出水温度稳定至55 ℃以下。

3 改造思路

对现有冷却水系统改造，一方面保留现有冷却水系统用于立式真空退火炉扩散泵和电极冷却系统；另一方面，为板材卧式真空退火炉新（增）设计一套冷却水系统，确保板材卧式真空退火炉回水温度≤55 ℃，保证设备安全、稳定运行。该冷却水系统采用软化水（以下统称为内循环水）对电极、扩散泵进行循环冷却，采用工业循环水（以下统称为外循环水）通过板式换热器的方式对软化水进行冷却。

根据热力学互相作用原理，在不考虑空气热交换等因素的条件下，退火炉发热功率与冷却系统散热功率相等时，冷却水水温将保持稳定，即单位时间内加热系统所做的功与散热系统吸收的功相等。

为板材卧式真空退火炉设计一套新冷却水系统，就需要对设备在运行过程中对循环水的加热功率进行准确地测量和计算。

4 测试过程

退火炉全流程作业需经过升温阶段（T1）、均温阶段（T2）、二次升温阶段（T3）、保温阶段（T4）和降温阶段（图3）。随着工艺过程的进行，炉室温度逐渐升高，其中T2阶段为500 ℃左右，T4阶段根据工艺不同温度为550～600 ℃。因此，需要通过带料试验，测得各升温阶段中冷却循环水进出口水温的最大温差。本次测试过程T4阶段温度为550 ℃。

图3 退火炉作业过程中的加热阶段

5 温度计、流量计布置情况

目前，设备的各个管路均设置有测温点（流量开关型号为SMC PF3W740-F04-BT-M），新增进水及总回水采用DTM-280 型工业温度计进行温度测量，测温点温度计经计量院校准合格，测温点分布如图4 所示。

图4 测温点分布情况

6 试验过程

目前在仅使用冷却水系统的条件下，循环水水温将迅速升高。为了保证测量过程数据的完整性和连续性，设备测试过程中，开启应急水进行辅助降温，同时开启板式换热器外水循环、开启冷却循环系统及制冷机，循环系统各位置流量见表2。设备按工艺要求启动并开始抽空、加热，随即开始计时，每隔15 min 记录新增进水温度计及总回水温度计数值显示，炉温降至350 ℃时开始强制冷却，结束记录（表3）。

表2 冷却循环系统各位置流量 L/min

表3 退火炉进水温度、回水温度及炉室温度（节选）℃

7 试验结果

各工艺阶段，设备进、回水温差见表4。由于前后炉门与6 组电极回水温度基本一致，4 台扩散泵回水温度也基本一致，考虑到记录位置间隔较远，数据记录时仅对后炉门电极和扩散泵D 的回水温度进行了记录。

表4 设备总进、回水温差 ℃

根据升温功率计算公式：

式中 P——升温功率，kW

C——水的比热容，取4.2 kJ/（kg·℃）

m——水的流量，kg/h

Δt——进、回水温差，℃

总回水流量m=114 L/min=6840 kg/h，代入式（1）计算，结果见表5。

表5 各阶段升温功率 kW

8 结果分析

通过测量设备进、回水位置温度可知，设备运行过程中进回水温差与扩散泵运行状态紧密关联，随着扩散泵运行至保温阶段（最高温度），冷却循环系统进回水温差逐渐扩大并趋于稳定，随着强冷阶段扩散泵关闭，冷却循环系统进回水温差逐渐减小。

整个退火炉工作过程中，冷却循环系统受4 组扩散泵温度影响远大于电极影响，炉温对冷却循环系统影响较小。同时，扩散泵平均流量为8.8 L/min，进出水最大温差为22.9 ℃；电极平均流量为9.3 L/min，进出水最大温差为1.9 ℃。

冷却水在循环水系统中不断循环，由于水温升高，水被不断蒸发，各种有机物质及无机离子浓缩，产生严重的沉积物附着。轻微的结垢会造成管路堵塞、恶化换热效率。经查询，整机功率为60 kW 的纯水冷却器内循环水流量应达到12 m3/h，而目前该系统内循环流量仅6.8 m3/h，因此，需要对管路及泵组进行更换扩容。

通过计算和综合评估，新设计增加的冷却水循环系统应满足的工艺参数见表6。

表6 冷却水循环系统要求工艺参数

9 新增冷却水系统技术方案

9.1 新增内、外循环水流量计算

根据式（1）计算新增冷却水系统内循环水流量。

由于Q＞100 kW，取系数1.25，则Q＝125 kW；进出水温差Δt≤10 ℃，按7 ℃温差进行设计，代入式（1）计算可得m＝15.35 m3/h≈16 m3/h，满足m＞8.5 m3/h的要求。

新增冷却水系统外循环水流量。

由于进出水温差Δt≤5 ℃，按4.5 ℃进行设计，代入式（1）计算可得m＝23.89 m3/h≈24 m3/h

这里，外循环水冷却容量等于内循环水冷却容量，满足使用要求；内循环水流量16 m3/h，进出水温差7 ℃；外循环水流量24 m3/h，进出水温差4.5 ℃。按照以上参数选型开式板式换热器，作为换热冷却设备，通过板式换热器对外循环水侧对内循环软化水侧进行冷却，以保证板材卧式真空退火炉的正常稳定运行。

9.2 新增内外循环冷却水管径计算

外循环冷却水来自开式冷却塔，正常供出水温为32～37 ℃，水温温差4.5 ℃，按125 kW 冷量计算4.5 ℃水温差的制冷循环水量正常应为24 m3/h。根据冷却水管道管径计算公式：

式中 d——水管直径，mm

G——水流量，取24 m3/h

ω——冷却水流速，m/s

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

同理，按125 kW 冷量计算7 ℃水温差的制冷循环水量正常应为16 m3/h。按冷却水管道管径计算公式：d＝×16/（3600×3.14×2）×1000≈50 mm，即为DN50。

9.3 内循环开式补水箱选型大小

一般按内循环水流量5%～10%选型开式补水箱大小，内循环水量按16 m3/h 计算。因安装空间有限，取水箱大小为16×7%＝1.12 m3，按1 m×0.7 m×1.6 m（长×宽×高）制作不锈钢水箱。

9.4 控制系统设计

新设计的冷却水控制系统由PLC、触摸屏、温度传感器、流量计及控制电路组成。控制系统采集检测4 组扩散泵冷却管路出口、前后炉门及6 组电极冷却管出口12 个管路位置的流量、温度的报警信号（快关量信号），同时采集监测内循环进水口、内循环总回水、外循环进水口的流量、温度信号（数显+模拟量信号），并设置流量、温度异常报警。新设计的控制系统给板材卧式真空退火炉设备控制主机1 个总的报警反馈信号。当冷却水系统出现异常时，在设备主机显示屏显示冷却水系统报警，提示操作人员冷却水系统故障，并在冷却水控制系统触摸屏上具体显示故障部位及故障信息，方便维修人员故障诊断及排除。同时，可以在触摸屏上进行冷却水系统的参数调整操作。

10 结束语

根据测试和计算结果，内循环水量16 m3/h，设备出水温度45 ℃。设备出水经板式换热器散热降温，出水降低7 ℃，水温由45 ℃降低至38 ℃。然后，38 ℃的低温出水在内循环水泵加压下，进入发热真空退火炉扩散泵、电极进行热交换，升温7 ℃至45 ℃，再进入板式换热器，如此反复循环。此外，外循环进水水温32 ℃，内循环进水水温≤38 ℃，温差为6 ℃。设备循环水出水温度可稳定至55 ℃以下，满足设备的稳定性和安全性。