冷却系统的关键点


Chassix’s old cooling tower and pumps lacked the capacity required to cool all the furnaces at the same time, limiting production.

Chassix’s old cooling tower and pumps lacked the capacity required to cool all the furnaces at the same time, limiting production.

2013年12月,当一个冷却泵故障,我们看到了冷却系统对国际空间站是多么重要。仅剩的另外一个泵运转的冷却系统,保障空间站重要的电气和生命维持。这需要宇航员进行紧急太空行走,取备用泵更换故障泵。随着新泵的就位,空间站可继续太空探索旅程。

虽然不属于火箭科学,但是涉及到冷却,感应熔炼与国际空间站一样依赖有效的冷却系统。如果没有足够的冷却,感应炉将无法运行。而在冷却系统故障的最坏的情况下,感应炉被损坏或摧毁,危及工人安全并给铸造厂带来巨大的损失。

铸造厂的冷却系统通常在后台悄悄运行,并接受维护人员定期的检查使它们保持可靠运行。本文的目的是希望通过美国乔治亚州哥伦布市Chassix铸造公司安装新系统实际案例,给出设计感应熔炼车间有效和高效的运行的冷却系统的有益的见解。Chassix公司是一家总值约为12亿美元的全球性公司,总部位于密歇根州南菲尔德市,给8个国家25个地区的汽车行业客户提供服务。其位于哥伦布市的工厂年熔化球墨铸铁24万吨。

Chassix project manager Frank Burton at the new cooling tower and its pumps.

Chassix project manager Frank Burton at the new cooling tower and its pumps.

冷却系统的基本构成

通常,所有类型和尺寸的感应炉是由流经炉体线圈的水冷却,线圈由重型铜管绕制。这些线圈产生的高热,主要由流经其中的巨大电流所产生,仅有少部分由炉体内的熔融金属的热辐射导致。感应熔炼系统电源的电气部件也需要水冷却。如果没有有效的冷却系统,感应炉将无法运行。

感应炉冷却系统的最基本配置包括泵和冷却塔,循环水在流经炉体时吸收热量,流经冷却塔时热量被释放。但为了安全和有效,冷却系统必须包含各种重要的子系统。这些包括:

  • 过滤器及辅助装置,以保持水的清洁和流动。

  • 热器,内嵌式加热器和冷水分流阀,以保持最佳的水温。
  • 自动的自来水补水装置,以保持冷却系统充满。
  • 流量传感器,压力表,温度表,水计量表,及其他确保正常工作所需的其他监测和控制装置。
  • 应急备用系统,泵故障或停电的情况下保持炉体冷却。

由于冷却系统是如此重要,当Chassix公司的系统在不再能够满足其需求时,管理团队迅速采取行动修复或更换系统。
据Chassix公司高级项目工程师Darold “Jack” Roop介绍,当公司安装了新的熔化炉,以支持公司铸造业务增长时,旧的冷却系统出现问题的频率大大增加。

“我们增加了3台熔化率为12.5吨/小时的中频感应炉以增加熔化能力,并匹配了电源柜,空压机和液压系统,” Roop解释说,“但是,我们现有的冷却系统缺乏处理新负载的能力。由于冷却不足,炉子经常过热,跳闸。几个线圈被烧毁了。我们没有足够的冷却,使我们能够同时运行所有的熔化炉。这降低了我们的铸件生产并且限制了我们刚刚添加的新的熔炼能力,无法从中充分受益。”

Chassix公司已经确定针对现有冷却系统不能满足所需的冷却能力,准备立项更换系统的大部分装置。Chassix公司的项目经理Frank Burton负责监督实施新冷却系统的建造。

“我们的冷却塔已老旧,木制部分正在腐烂和崩溃,而且它的3个泵不得不持续运行以提供必要的冷却,”他说,“没有富余,如果一个泵发生故障,生产不得不被暂停,直到泵被更换。停工是缓慢的过程。唯一应急备用的是自来水,然而溢流的水会产生环境问题。”

Chassix operates a variety of large induction furnaces, some batch melting and some heel melting.

Chassix operates a variety of large induction furnaces, some batch melting and some heel melting.

设计感应熔炼的冷却系统

用于实验室或用于熔化少量贵金属的非常小的感应炉可通过直接连接引入自来水冷却,排水可以使用城市排水管道。大多数其他规格的感应炉需要1个或多个泵来驱动冷却水从炉体流向冷却塔,被冷却塔以某种方式带走热量的水,再循环回到炉体中。这是大多数冷却系统的基本方式。

要为感应熔炼车间设计冷却系统,首先必须确定系统的热负荷,同时要考虑每台炉子的大小,电力应用,熔化的金属类型,熔炼方式(倒空或剩余),保温和浇注时间及不属于炉体的其他辅助设备所增加的热负荷。

这些计算可能很复杂。Chassix公司新的冷却系统,是根据车间内各种炉型的规格,熔炼工艺及配套设备的热负荷计算。这些设备包括:

  • 3台12.5吨,中频感应熔化炉。
  • 5台10吨工频感应熔化炉。
  • 2台17吨工频感应熔化炉。
  • 辅助系统包括空气压缩机,液压泵站和空调。

计算还要考虑到设备维护或修理期间冷却所需的备用容量以及支持未来的增长。

“我一直在寻找新的冷却系统,它必须是可靠的,并能留有富余量,使其能够在1台泵故障的情况下继续运行,”Burton说,“我还希望系统将不仅提供目前所有的熔化炉和设备同时运行所需的冷却能力,而且必须支持未来预期增长的额外容量。”

下一步,整个冷却系统设计是对所希望的从冷却塔到管道的进水温度、从管道到冷却塔的出水温度和气候条件以及炉体上温度参数进行调整。

冷却塔

冷却塔有3种基本冷却方式,蒸发式,干燥空气冷却式和混合式(干、湿混合冷却)。

蒸发式冷却塔利用喷淋水雾和风扇,降低热水回流到炉体中的温度。即使是夏季温暖的气候,他们也具有高效的消除热量的优势。蒸发式冷却塔能够作为大容量机组,当蒸发盘管是垂直布置时,仅需要相对较小的安装空间。

Limited access to a small working area complicated Chassix’s cooling system installation.

Limited access to a small working area complicated Chassix’s cooling system installation.

干式空气冷却塔仅使用风扇提供的空气流来降低水的温度。当气温凉爽时它们是有效的,但在夏季温暖的气候下可能无法正常工作。在此情况下,调整冷却器,可能需要从根本上增加使用自来水的热交换器以补充的干式空气冷却单元的不足。因为空气冷却比蒸发冷却效率低,对比相同冷却能力的蒸发式冷却塔,干式空气冷却塔需要相对较大的占地面积。

混合型冷却塔在寒冷月份时以干式空气冷却模式运行,仅在最热的夏季需要配合使用喷淋水冷却。本质上,蒸发式冷却单元可以内置在混合型冷却塔中。因此,混合型冷却塔可以在炎热的天气和寒冷的天气同样有效的运行,这种简明的设计减少了自来水的消耗。

由于需要冷却能力很大,格鲁吉亚南部典型的温暖的夏天和可用于安装的空间有限,Chassix公司选择蒸发式冷却塔作为新系统。选定的产品是垂直布置盘管的冷却塔,配有2台75 HP的风扇,每分钟能够把5500加仑水从115F冷却至85F。

虽然冷却塔的工作是降低从炉体流出的热水温度,但是如果返回到炉体的水温过低将会导致问题。这是因为水接近或低于当时环境的湿球温度,通常约为75°F或更低时,会在炉体线圈上引起结露,可导致匝间电弧产生,电弧会导致严重的线圈损坏。为解决此问题,感应炉冷却系统应包括自动冷水导流阀。当自动监控装置检测到炉体的出水温度过低,循环水将不经过冷却塔而直接返回到炉体中。这种情况会持续到达到所需的出水温度为止。嵌入加热器还可以把水加热到所需温度。

 开放式系统与封闭式系统对比

开放式和封闭式这两种基本类型的冷却系统在铸造厂都很常见。在开放式系统中,被炉体加热后的水通过管道进入冷却塔。在那里水经过空气形成喷雾并顺着多孔材料向下流动。风扇产生的气流增强蒸发作用使水冷却,通常收集冷却水的储水槽在冷却塔底部,通过水泵使冷却水循环回到炉体中。必须添加自来水补充被蒸发掉的水并稀释水中聚集的矿物质。所有开放式的系统都使用蒸发式冷却塔。

Chassix melt maintenance manager Shawn Murray backed the use of grooved pipe connectors on the new pumping module for ease in pump installation and replacement.

Chassix melt maintenance manager Shawn Murray backed the use of grooved pipe connectors on the new pumping module for ease in pump installation and replacement.

开放式冷却系统的建造和运行最简单,并可以获得最低的水温。但它们使水暴露在灰尘中,随着时间的推移碎屑和水垢将堵塞水泵,管道和炉体线圈,限制水流量从而大大降低冷却效果。因此,开放式冷却系统必须安装过滤器和过滤网来过滤固体物并通过化学处理减少水垢的生成。还需要防止致病微生物,如水中产生的军团杆菌。总体而言,开放式冷却系统比封闭式系统需要更多的定期保养,并消耗更多的水。在寒冷的气候条件下需要防止储水槽结冰。

在封闭式冷却系统中,热水也是通过管道从炉体流进冷却塔。但与开放式系统不同,当水到达冷却塔,继续在压力下进入管道中的换热盘管,通过换热盘管冷却。

冷却后的水,通过管道和水泵直接从换热盘管回到炉体。换热盘管可以作为蒸发式冷却塔的一部分,通过储水槽的水喷淋蒸发冷却。或者,它可以被安置在干式空气冷却系统中,直接通过空气对流冷却。它也可以是混合式冷却系统的一部分。

封闭式冷却系统需要保持水质清洁,没有杂物,只需要最低限度的维护。然而,封闭式冷却系统的成本比较高。这是因为,作为闭环系统需要热交换盘管、膨胀水箱、排气阀和通气口- 所有这些部件在开放式系统中是不需要的。

无论铸造厂采用开放或封闭式冷却系统来冷却炉体,通过感应炉电源的循环水必须使用封闭式的冷却系统。因为冷却电子元件的水要求是纯净水和去离子水,以确保它不导电。通常,电源的水冷却系统与炉体的水冷却系统是分开的。

Chassix6与以前的设备一样,Chassix公司新的冷却系统是开放式的。继续使用开放式系统是考虑到把工厂现有的管道、控制和电气网络利用到新的冷却系统中。

“能够利用铸造厂现有冷却系统的基础设施以降低我们的成本是重要的条件,” Burton说,“这可能省了大约10万美元,并符合我们的资金预算,并大大缩短了安装新系统的停机时间。”

虽然Chassix公司新的冷却系统是开放式的系统,但是维护主管Brian James报告称水仍然是清洁的,因为水泵处的过滤器易于清洁。“在旧系统中,水中的杂物是个问题,因为水泵处没有过滤器。能进入储水槽的东西都能流入泵里,”他说,“旧系统只能依靠集水槽上的过滤网拦挡污垢和碎屑,线圈经常被堵塞。”

泵的选型和系统设计

泵是铸造厂冷却系统的心脏和动力,流量和压力必须稳定,与炉体和其它辅助设备的冷却需求相匹配,符合冷却塔设计规范。泵站系统的整体设计需要考虑在主泵发生故障或常规的系统维护时备用泵的流量,以及快速更换备用泵和维修保养的便捷性也很重要。

Chassix公司新系统安装了3台100 HP的泵,同时启动时水流量能达到3600 GPM。这些专门选配的泵效率高且功率适合现场的工况。

Chassix73台新泵每一台都以独立模块的形式接入系统,有自己的管道和电源控制的接头。每个模块还配有隔离阀,从而可以在更换泵时无需停止冷却系统运行。仅需要2个泵就可以满足系统全部的流量要求。第3个泵作为备用泵被连接在系统中,如果1个泵在运行中发生故障,可以实现快速的切换。Chassix公司新冷却系统安装运行后,这种设计在第一时间证明了它的价值。

“安装时出现小问题很正常,”Roop说,“但都处理了,即使当1台新泵启动时发生故障也不恐慌。因为我们的设计中,3台泵中只需有2台工作就可以满足冷却系统满负荷运行,我们用隔离阀快速的隔离了故障泵,并完全打开了备用泵的连接,让新的冷却系统保持运行。因为我们已经购买了备用泵并存放在附近,所以我们可以在1小时内更换故障泵。这是非常好的证明,新系统的设计如此之好,甚至在泵发生故障时仍可以继续工作。

备用应急冷却

对于感应熔炼车间的作业安全而言,有效的冷却是非常重要的。因此设备或电源发生故障,主冷却系统关闭的情况下,备用或应急冷却系统是至关重要的。

通常的应急处理方式是泵和电源故障时,打开连接到城市供水的开关,让自来水直接流过炉体和其他连接主冷却系统的设备。这是非循环的冷却方式,加热的水被排入下水道或其他地方。

另一种常用的应急系统是蓄电池(非常小的系统)或发电机,当停电时切换接入主泵,让冷却系统继续运行。

许多铸造厂备用冷却泵,当主系统的工作泵出现故障时能快速切换。

Chassix公司的应急系统是电源故障的情况下接入自来水冷却。其全新的冷却系统还装配了备用泵,当1台泵出现故障时可以在线快速切换。库存的备用泵可以随时更换故障泵。

Chassix公司的安装

理论上,为感应熔化设备安装新的冷却系统应该在足够大且平坦的地方,有充足的空间高度让起重机和其他重型起重设备作业。应该有足够的电力用于泵和风扇,并且应急系统能直接接入自来水,保持应急膨胀水箱充满,当设备或电源故障情况下提供紧急用水。

并不是Chassix公司才有这种情况,想把新的冷却塔和水泵毗邻安装在即将淘汰的旧塔旁。这样可以方便的连接到现有厂房的冷却水管道、电网和控制接口,但也提出了挑战。

“毗邻旧冷却塔的安装地点是个狭小的空间,并且旧塔周围环绕着废料场与铁路支线,”EMSCO 公司现场监理Mark Foster解释说,“唯一的通道是条狭窄的小巷。另一个障碍是排水涵洞,恰好通过新冷却塔可以唯一放置的地方。”

Chassix8因为新的系统接入之前,旧冷却系统必须完全关闭,必须要求全厂停产。由于停产时间必须尽可能的短,以减少对铸造生产的影响。安装工作安排在周末假期。

为了应对空间和时间的挑战,安装过程中的每一步都经过周密策划。移开铁轨,使冷却塔支撑架的位置避开了排水涵洞。为了简化在Chassix公司现场的操作和提高组装的速度,3台泵在运输和交付时已完成自身的管道和电气连接的模块化配置。在现场的组装工作,按原定的时间表及时完成,设备的卸下,分批就位清晰有序。在狭小的空间内,使用特殊器具固定设备。当关闭旧的冷却系统和全部铸造作业的时间来临,所要做的工作就是把新系统接入设备管网、电源和控制柜。

项目在预计的时间和预算范围完成。据Roop介绍,新的冷却系统运行得很好,“这确实与我们所预期的一样”。

“新系统符合我们所要求的性能而且循环水持续冷却,”James说,“我们还没遇到因水温度过高而跳闸的情况。我们甚至能在整个夏季运行所有的设备。生产不再因冷却的问题而受影响。

据负责熔炼车间所有设备包括冷却塔维护的维修主管Shawn J. Murray介绍。“使用旧的冷却系统时,我们不能同时运行所有的炉子,”他说,“每天仍然有50〜60次的高温警报。现在,随着新冷却系统投入使用,我们可以全天候的运行所有设备。这极大地减少了炉体故障而且完全消除了因水温过高而导致的停机。新的冷却系统能让炉体水温受控,并且保持所有设备正常运行。”

本文摘自发表于2014年铸造大会上的一篇论文(14-030)。

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