铸造工业的感应加热第十一讲 感应熔炼电炉的循环水冷系统

李韵豪

编者按：本刊从2020年第1期开始连续12期连载李韵豪撰写的《铸造工业的感应加热》系列讲座，主要涉及目前铸造工业应用最多的中频无心感应电炉，介绍各类铸铁、钢，以及有色金属中铝、铜及其合金感应熔炼炉和保温炉的选型，电炉的设计以及感应器参数的计算；金属坩埚、石墨坩埚的设计以及感应器参数的计算；专题讨论感应电炉的供电系统及变频电源主电路的计算、谐波治理和功率因数提高问题；各类无心感应电炉的耐火材料、筑炉工艺、感应电炉循环水系统的设计；感应电炉的环境因素、电气电磁安全防护、环境保护问题等，内容浓缩了作者几十年的宝贵从业经验，对铸造工厂感应电炉熔炼设备的规划、选型、操作、维修和管理，提供非常实用的参考与借鉴，敬请关注。

应达（中国） 供图

1 感应熔炼电炉循环水冷系统的作用

感应熔炼电炉感应器线圈，变频电源的SCR与IGBT半导体器件、平波电抗器、电感、电阻元件，以及电热电容器、汇流排、柔性电缆等大电流母线，这些高电流密度的导电体，在运行中会产生大量的热，而这些热必须通过冷却水带走。水冷系统是感应熔炼电炉设计和应用中的重要环节，也是在某些铸造厂生产现场容易被人们忽视的一个环节。

水冷系统是以水为散热介质的一种给水系统。这个系统由换热装置、水泵、管路及其他相关设施组成。

水的散热分为蒸发散热、接触散热和辐射散热。

水的蒸发散热可用分子运动理论解释。水分子的动能大小各异，使得各分子的运行轨迹不规则，运动速度也不同。动能大的分子克服水的内聚力，可逸出水面进入空气中，这个现象称之为蒸发。蒸发与沸腾不同：蒸发是任何温度下都可能发生，而发生部位只在水面，是缓慢汽化现象，影响因素与水温、表面积、表面空气流速等有关。而沸腾只是在一定温度下发生，发生部位在水的内部和表面，汽化剧烈，影响因素只与气压有关。水的冷却，是由于随着动能大的水分子离开，剩余的水分子平均动能减小，水温随之降低。因此，水的蒸发散热并不是在水沸腾时才出现，自然界更多的蒸发散热都是在低于水的沸点情况下发生的。通过两个措施可使水的蒸发散热提速：增加热水与空气的接触面积。接触面积越大，水分子逸出去的机会越多，蒸发散热也就越快；一定的风量、风速使水与空气接触面空气流动加速，使从水面逸出的水蒸汽分子迅速扩散到空气中去。

水的接触散热。当热水水面与空气接触，水温高于空气温度时，水的热量经接触传导给空气，空气靠近水面的温度上升，使得水面以上空气温度不均匀，热、冷空气之间就产生对流散热作用，直至水面温度与空气温度一致时，传导散热中止。传导和对流是同时发生、同时中止的。

水的辐射散热。水温高、水体表面积大（如大面积冷却水池），辐射散热才有效果。它的散热不需要传热介质，是一种由电磁波形式来散热的现象。

水冷系统是由水的蒸发散热、接触散热、辐射散热三个过程共同作用而形成。蒸发散热和接触散热哪一种方式占主导地位，由水与气的温差决定。我国大部分地区除冬季外，水与气的温差较小，以蒸发散热为主。尤其是夏季，蒸发散热占总散热量的80%～90%，接触散热仅占10%～20%。而冬季，水与气的温差大，蒸发散热减小，因此接触散热上升到主导地位，自然冷却也能达到散热的目的[1，2]。

感应熔炼电炉冷却系统用水作为换热的冷媒介质，是与水自身具有的异常特质分不开的。

1）水的内聚力是一般液体的10倍左右，要改变水的物态就需要更多的热量和更高的温度才能克服它的内聚力。将1kg水的温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量为4.1868kJ,也就是说，水的比热容为4.1868kJ/（kg·℃），即1kcal/（kg·℃）。它的比热容是同等体积空气比热容的3300倍。水的汽化热大，将1kg0℃的水变为0℃的水蒸汽时所吸收的热量定义为水的汽化热。0℃时，水的气化热为2500kJ/kg（这个数量是其他液体的4～12倍、气体的6倍）。它意味着1kg0℃的水，将1kg中的1%的水量蒸发掉，可将1kg水的水温降低6℃。

2）感应熔炼电炉水冷系统冷却水温上限与水的沸点相距甚远。在水冷系统的水温范围内，冷却水虽然也存在体积胀缩，但并不明显。

3）水的稳定性好，通常不会分解。

4）水的流动性好，便于输送和分配。

5）水质、水温控制容易。

6）价格低廉，容易获得。

2 感应熔炼电炉对冷却水的要求

2.1 冷却水进水温度和出水温度与允许温升

所谓进水温度、出水温度是指感应熔炼电炉各用水单元的进水和出水温度。冷却水的温升等于感应熔炼电炉用水单元出水温度与进水温度之差。进水温度范围和允许温升是水冷系统设计的基本参数。

变频电源、电热电容器、大电流母线的进水温度为5～35℃，冷却水的温升不超过20℃。之所以把电热电容器、大电流母线与变频电源供水放在一起，是因为一旦因停电或其他原因断水，应急供水系统只需要给感应器线圈供水，而不必为变频电源、电热电容器、大电流母线应急供水。

感应器线圈水温要求：单回路循环系统及双回路循环系统的外回路，进水温度5～35℃，出水温度＜55℃，在最高进水温度下允许温升＜20℃。双回路循环给水系统的内回路，进水温度15～45℃，出水温度＜65℃，在最高进水温度下允许温升＜20℃。

对于要求防止空气中水蒸汽冷凝在元件内外表面上，进水温度下限应适当提高，必要时应设置进水加热装置和温度控制装置。感应器线圈出水温度不应低于环境温度。过低的水温会使线圈铜管表面结冷凝水而影响绝缘。因此，在炉衬烧结或开炉初期应减小冷却水流量。

变频电源进水温度范围及温升要求按J B/T 8669—1997执行，按这个标准，变频电源的出水温度最高将达到55℃。其实，不少变频电源生产厂家将冷却水的出水温度规定的要低很多。对冷却水的水温要求，英国文献“感应电炉的冷却水系统”（来源：《Bsitish Toundsyman》，1977年第2期）认为：变频装置、电热电容器、大电流母线等装置的冷却尤为重要，感应器线圈冷却水的温度一般允许比变频电源、电热电容器等高一些。感应器线圈中冷却水温度的上限建议在60～70℃（这也恰好是许多塑料、橡胶管的极限温度），但变频器、电热电容器容许温度为20～25℃以下（原文如此）[3]。

2.2 水压

平时我们所说的水压，都是表压。所谓表压，就是管道压力，是安装在用水单元进水口位置的水压表测出来的压力值。表压又称为相对压力，它以大气压力为起点，直接作用于物体表面的压力称为绝对压力。绝对压力值以绝对真空作为起点，表压加上当地大气压（一般加一个标准大气压0.101 325MPa即可)。表压＝绝对压力－一个标准大气压。如果以MPa为单位，表压＝绝对压力－0.101 325MPa。

变频电源水压0.2～0.3MPa；感应器线圈水压、单回路循环系统、双回路循环系统外回路的水压0.2～0.3MPa；双回路循环水系统的内水路水压0.3～0.7MPa。

2.3 冷却水的水质要求

衡量感应熔炼电炉冷却水水质主要的指标有三个：总硬度、电导率和悬浮性固体。

（1）总硬度 冷却水中钙、镁金属离子的总浓度称为硬度。硬度分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。总硬度就是两者的集合。由于硬度并不是由单一的金属离子或盐类形成的，为了有个统一的比较标准，有必要换算为另一种盐类，感应加热设备冷却水使用的总硬度单位，通常用CaO质量浓度表示。硬度单位还有德国度（），即每升水中占有相当于10mgCaO的钙镁离子称为1。目前，相关文献当中表征冷却水硬度的单位很不统一，表1提供了常用硬度单位换算。

感应熔炼电炉设备冷却水总硬度指标：单回路循环系统总硬度，带电体CaO质量浓度＜10mg/L（水）、非带电体CaO质量浓度＜60mg/L（水）；双回路循环系统的外回路CaO质量浓度＜60mg/L（水），内回路CaO质量浓度＜2.5mg/L（水）。

（2）电导率 由于冷却水中的溶解盐类都是以离子状态存在的，因此具有导电能力，所以电导率可以间接表示出冷却水中溶解盐类的含量。

冷却水的导电性能与水的电阻值R有关。

式中 R——水的电阻值（Ω）；

ρ——水的电阻率（Ω·m）；

F——电极的垂直截面积（m2）；

L——两电阻之间的距离（m）。

电导的符号为G，单位为S（西门子），R的倒数为G，则电导与电阻的关系方程式为：

式中 G——水的电导（S）；

电阻率ρ的倒数为电导率σ，即σ＝1/ρ，单位为S/m（西门子/米）。

电导率1/ρ与冷却水含盐量CN的关系：1/ρ＝CN/66.5。含盐量CN的单位为mmol/L。

感应熔炼电炉循环冷却水的电导率过高带来的电解，会导致水冷系统和各用电单元金属产生腐蚀。关于金属腐蚀速率，GB/T 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》中规定：铜合金、不锈钢设备为0.005mm/a；碳素钢设备由过去（1995年）的0.125mm/a，修订为0.075mm/a。以金属腐蚀失重而算得的年平均腐蚀速率设计规范的提高，对感应熔炼电炉冷却水的电导率也提出了更为严格的限制要求。

感应熔炼电炉冷却水的电导率与其工作电压有关：工作电压为1kV时，水的电导率为0.05S/m；工作电压为1～2kV、2～3kV时，水的电导率分别为0.016 67S/m、0.007 4S/m。

GB/T 10067.1—2019《电热和电磁处理装置基本技术条件 第1部分：通用部分》对冷却水的电导率也作了相应的规定，即为0.05S/m，但没有规定工作电压条件。当含盐量大于3.33mmol/L时，冷却水的电导率1/ρ即大于0.05S/m。

表1 常用硬度单位换算

GB/T 3984.1—2004/IEC60110-1:1998（IDT）《感应加热装置用电力电容器 第1部分：总则》规定了水冷电容器冷却水出口温度和流速。冷却水在力学与光学上应是清洁的，而在化学上应是中性的。为限制泄漏电流，对直接冷却带电部件的电导率作出了具体规定。

由于冷却水中电导率1/ρ超标，流出的带电冷却水的泄漏电流将增大。当用它来冷却导电体时，冷却水系统出水口对地也就有一定的电位，当这种电位超过安全范围时就应采取降低电位的措施。JB/T 8669—1997《中频感应加热用半导体变频装置》规定：用水冷却带电元件或部件，应按其电压选择冷却水管的直径长度及其材料，应把泄漏电流限制在20mA以下，即在感应器线圈的输出端加装绝缘软管。当带电的冷却水通过绝缘软管时，水的电阻使泄漏电流降到20mA以下。根据经验，每1kV电压应配置1m长的绝缘软管。

感应熔炼电炉的故障乃至全部感应加热系统的故障，多达90%与冷却水有关，这几乎成为业内的共识（据Ajax Tocco Magnethermic 公司ASM热处理会议上的报告）。而电导率超标的冷却水往往是这些故障的罪魁祸首却鲜有人知。多数情况下，现场晶闸管（SCR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等器件“烧管子”，对个别缺乏经验的调试人员来说，一般不会把产生故障的原因与冷却水电导率超标联系在一起。

（3）冷却水的总固体 冷却水固体包括溶解性固体和悬浮性固体，两者之和称为总固体。溶解性固体是指水经过滤后仍溶于水中的各种无机盐类物质、有机物等；悬浮性固体是指那些可过滤掉、不溶于水中的淤泥（如泥沙）、腐蚀产物（如氧化铁皮）、有机物和生物沉积物（如微生物黏泥）等悬浮物质。GB/T 10067.1—2019 《电热和电磁处理装置基本技术条件 第1部分：通用部分》规定的冷却水总固体含量标准：溶解性固体＜300mg/L、悬浮性固体＜10mg/L。

除了上述三项指标，与冷却水水质相关的指标还有pH值7.0～8.5（pH值高时，水质呈弱碱性，对过水管的防腐蚀有好处。当pH＞7时，CaCO3等向冷却水管内的析出量增加，此析出膜有防腐蚀作用；当pH值＞8时，钢管内会产生铁锈；当pH值＜6时，会对铜管产生腐蚀），碱度＜60mg/L， 氯离子平均＜60mg/L（最高＜220mg/L）， 碳酸离子＜100mg/L，全铁＜2mg/L，可溶性SiO2＜6mg/L等[4-6]。

3 感应熔炼电炉冷却水流量的计算

3.1 感应器冷却水流量

感应熔炼电炉感应器线圈的发热量有两个来源：一是感应器线圈损失功率ΔP1，即所谓的“铜损”，在电流流经感应器线圈时产生的热；二是被加热炉料的热穿透炉衬到达线圈所致。前者产生的热量远大于后者，故计算冷却水流量时将穿透炉衬折算的热损失功率忽略。感应器线圈的热损失功率用ΔP表示。

式中 ΔP——感应器线圈热损失功率（kW）；

P——感应熔炼电炉的变频电源总功率，即额定功率（kW）；

PT——炉料加热的平均有效功率（kW）；

η——感应器的总效率。

感应器线圈热损失功率ΔP产生的热量用水来冷却。

在计算冷却水流量时，设冷却水要带走额定功率50%的热量，即ΔP＝0.5P，变频电源、电热电容器、大电流母线分别带走额定功率7.5%、1.5%、1.5%的热量，而水的温升不应超过20℃。

式中 ΔP——感应器线圈热损失功率（kW）；

CS——冷却水比热容，CS＝4.186 8kJ/（kg·℃）；

ΔT——感应器的允许温升（℃），一般取ΔT＝20℃；

K——炉料的热量透过炉衬影响感应器线圈热损失功率的影响系数，一般取K＝1.1～1.2。

ηs——冷却水系统的总效率，取ηs＝1。

冷却水的理论流量用W表示。

式中 W——冷却水流量（t/h或m3/h）。因常态水（在一个标准大气压下0.1013MPa、3.98℃的清水）的密度γy＝1t/m3，由于1m3/h×1t/m3＝1t/h，故1t/h＝1m3/h，其中1t/h为重量流量，1m3/h为容积流量；

G——冷却水重量（t）或容积（m3）；

t——时间（s），t＝1h＝3600s。

整理得：

式中 K——炉料的热量透过炉衬影响线圈损失功率的影响系数，一般取K＝1.1～1.2。本例，取K＝1.163；

P——额定功率（kW）。

将有关参数值代入式（6），得

3.2 变频电源、电热电容器、大电流母线冷却水流量

在水的温升不超过20℃，变频电源、电热电容器、大电流母线分别消耗额定功率P的百分比为：

用上述同样的方法可推导出变频电源、电热电容器、热大电流母线的冷却水流量分别为：

为方便计算，往往将三者合一，用W表示，则

后面我们提到变频电源冷却水的流量都是包括电热电容器和大电流母线的冷却水的流量。用式（14）计算出的冷却水流量是理论数据，向水冷设备生产厂家提供的冷却水流量，往往将这个计算出来的理论数据再乘以一个安全系数。水冷设备生产厂家是根据这个数据进行选型和设计的。

感应器线圈的冷却水流量W一般乘以1.5～2.0倍安全系数，而变频电源、电热电容器、大电流母线的冷却水流量W则要乘以3.0～5.0倍安全系数，即

式中 Q——感应器线圈冷却水实际流量（m3/h或t/h）；

Q——变频电源、电热电容器、大电流母线冷却水实际流量（m3/h或t/h）。

炉子额定功率大时取安全系数下限，反之取上限；水冷系统现场条件较好时，取下限，反之取上限。这个安全系数的最终确定还应考虑水冷装置生产厂家的设计、制造工艺水平等因素。式（15）、式（16）也可以作为选泵确定流量时的依据。

以第三讲3600kW、300Hz额定容量6t灰铸铁感应熔炼电炉为例，循环水冷系统流量设计，变频电源理论流量W＝0.005×3600m3/h＝18m3/h，向水冷设备生产厂家提供的流量为54～90m3/h，本例取72m3/h。炉子感应器线圈的理论流量为W＝0.025×3600m3/h＝90m3/h，向水冷设备生产厂家提供的流量为135～180m3/h，本例取157.5m3/h。

4 感应熔炼电炉循环水冷系统设计

循环水系统包括浊环水系统和净环水系统。净环水系统与浊环水系统区别在于冷却水不与线圈水冷套及管路之外的被冷却对象直接接触，经循环使用后仅水温升高，可通过换热装置散热并对水质进行必要处理。铸造厂感应熔炼电炉的循环水冷系统属于净环水系统。

4.1 循环水冷系统设计规范

循环水冷系统关系到感应熔炼电炉装置的运行安全，系统的设计必须遵循相关的国家标准和专业标准。

1）GB/T 10067.31—2013《电热装置基本技术条件 第31部分：中频无心感应炉》第5.2.9条“水冷系统”规定，感应熔炼电炉的循环给水系统可采用开放式或密闭式，水冷系统应设有水温、水压监测和安全联锁报警装置，各支路还应设置流量调节阀。

GB/T 5959.1—2019/IEC 60519-1：2015（IDT）《电热和电磁处理装置的安全 第1部分：通用要求》第10.5条“冷却”中规定了部件在采用强制冷却因冷却不足可能引起危险的地方，以及应采取的措施，并指出闭合冷却回路（密闭式循环冷却系统）可降低环境污染风险，减少冷却剂的消耗。

2）循环水冷系统的水路应适当分支，并能集中控制、分别调节，便于监测各支路的出水情况。感应熔炼电炉用水单元的各部分应能得到尽可能均匀的冷却，特别是高温部位应得到快速有效的冷却。

3）为保证系统可靠运行，应设置两台循环供水水泵，一用一备。

4）GB/T 10067.32—2013《电热装置基本技术条件 第32部分：电压型变频多台中频无心感应炉成套装置》第5.2.4条指出：由于变频装置和炉子对水冷系统水质和进出水温度要求不同，故应把它们分为两个独立的水冷系统。炉子的水冷系统应采用单回路循环给水系统，必要时应配置外水冷（如冷却塔等）设备。

5）JB/T 8669—1997《中频感应加热用半导体变频装置》（1998年实施，2010年复审，现行有效）。该标准适用于频率50～10 000Hz半导体器件（晶闸管或功率晶体管）构成的变频电源。第3.4.9条规定了变频电源对冷却水的进水压力、进水温度、温升及水质的要求，提出了对泄漏电流的要求，水冷系统能承受的压力，避免产生汽化，特别强调应采取限制腐蚀作用以及沉积物和气体形成的措施，因此采用去离子水的循环装置是非常必要的。第4.5条水冷系统的试验，规定了水压的试验和冷却水量的测量。

6）GB/T 1067.1—2019《电热和电磁处理装置基本技术条件 第1部分：通用部分》第5.1.4.3条“水路设计”规定了水路设计的一般原则，对水质、水温、水压的要求，提出了供水安全保障。对正常供水有可能中断的情况，用户应设置备用水源，以免发生装置和人身事故。感应熔炼电炉允许最长断水时间不超过1min。感应器线圈冷却回路的主泵出口处必须装有水压开关。如停电、断水，用来控制以下措施的其中之一：① 由蓄电池供电的直流电动机驱动的应急水泵或由柴油机（汽油机）驱动的应急水泵立即投入工作。② 接通不受停电影响的自来水管路或与压缩空气管道相连（压缩空气作为冷却介质用）。不可采用高位水箱放水冷却。有些文献介绍，高位水箱应不小于感应器支路0.5h的耗水量，这是针对透热感应器来讲的。这个容量对感应熔炼电炉来讲是远远不够的。炉子容量大小和炉料温度不同，炉体冷却有时可能需要数小时甚至十几个小时。

7）指望通过补充新鲜冷却水使电导率保持在规定的水平几乎是不可能的，应根据冷却水电导率情况，每12个月或更短时间对循环水全部更新一次。

8）冬季寒冷地区防冻问题。冷却介质可根据当地气候条件（气温）按一定比例给去离子水里添加低电导率的乙二醇（工业级，不含抗氧化剂和其他添加剂），并注意因乙二醇的添加会使冷却介质“黏稠”而影响冷却效果。

9）系统中所有柔性的水冷电缆、冷却水管均需采用不含碳原子材料制成的无碳绝缘胶管。

10）循环水冷系统总出水管路及各用水单元安装带有智能积算仪的热磁数字计算表，对循环水系统的压力、流量、水温等参数及相关运行状态进行监测和必要的保护，以实现对系统运行的精细化管理。需要强调的是，循环水冷系统总出水管路及各用水单元只有水压保护是不够的，因为水压保护对于流量不足起不到保护作用，所以必须同时设置流量保护装置。

11）循环供水水泵出口应设置自清洗过滤器，以拦截循环水中溶解性固体和悬浮性固体。在用水单元入口处也应安装过滤器，作为拦截总固体的最后一道防线。

系统中应设置补充新水处理装置，处理流程：工业用水→净水器（包括混凝、沉淀、过滤等单元）→软化装置（离子交换器等）。

系统中还应设有阻垢缓蚀剂、杀菌剂等加药装置，加药种类、投放量应根据动态模拟试验和技术经济指标比较后确定。

12）GB/T 10066.1—2019《电热和电磁处理装置的试验方法 第1部分：通用部分》第9.13条、第9.14条规定了冷却液（水）流量以及温升的测量。

GB/T 10066.3—2014/IEC 62076：2006（IDT）《电热装置的试验方法 第3部分》第5.2条、第5.3条、第5.4条分别规定了冷却水回路的密封性试验、流量试验和温升试验规范。

4.2 循环水冷系统类型与选择

（1）感应熔炼电炉冷却系统类型 水冷却系统分为两大类：直排系统和循环系统。

1）直排系统：直排水冷改为循环水冷，且浓缩倍数为3倍时，同样的冷却效果可节约补充水约97%。直排系统用水量大，水的处理量也大，因此水处理成本高。如用化学方法处理，排出的水会造成水体的污染。如果采用地下水，易使设备凝露而造成故障。因此，直排给水系统早已淘汰。

2）循环系统：分为单回路循环系统和双回路循环系统。单回路循环系统又分为敞开式和密闭式两大类。双回路循环系统中有热交换器，水路分为内回路和外回路。内回路流通的水是软化水或蒸馏水，用来冷却电热设备，外回路通过热交换器冷却内回路水。内回路一般都采用密闭式，而外回路可根据用户具体条件和要求或采用敞开式，或采用密闭式。目前，外回路多采用敞开式。

（2）循环水冷系统的选择 铸造厂投资感应熔炼电炉设备时，对于配套的循环水冷系统的投资比例往往不多，而电炉生产厂家要说服用户把更多的资金用在循环水设备上是很困难的。因此，电炉生产厂家要根据用户熔炼电炉的额定容量（额定功率）、作业方式、当地地理气象条件以及资金情况，在水冷设备生产厂家配合下，协助用户制定出合理、性价比高的水冷系统方案。对于相同热负荷来说，单回路敞开式、密闭式以及双回路系统的资金投入是不一样的。综合性能、价格等诸因素，三种方式其实各有利弊，这也是为什么密闭式冷却系统和双回路系统虽有更显著的优点，但是单回路敞开式冷却系统仍在被许多用户选择的一个原因。

4.3 循环水冷系统的设计

（1）单回路敞开式循环水冷系统

1）单回路敞开式循环水冷系统包括：冷却塔、冷却水池、循环水泵、补给水系统、应急水系统、管道和阀门部件、冷却水过滤装置及控制装置等。

敞开式循环冷却系统的冷却水通过电热设备后水温升高，高温水经过敞开式冷却塔曝气与大气接触。由于水的蒸发散热与接触散热使水温降低，冷却后的水再循环使用。因为蒸发的水是不含盐分的，所以蒸发过程中循环水中盐含量不断增加，即所谓浓缩。浓缩会带来腐蚀、结垢。水在冷却塔与空气充分接触带来溶解氧增加，二氧化碳逸出，又使腐蚀、结垢加剧。冷却塔本身也是一个空气洗净器，因为许多空气污染物都能溶于水中，而不溶于水的灰尘微粒从空气中被冲到水中，所以最后造成管路阻塞。这种敞开式系统会使溶解性固体和悬浮性固体增加。

针对敞开式循环系统的特点，设计时应注意以下几个方面：①监测水的电导率，如果超标则需补充、更换冷却水或补充去离子水。②使用添加剂，使冷却水软化，降低硬度以减少水垢。③加入阻蚀剂或控制水垢生产的化学物质，减少腐蚀。④注意对循环水的过滤。⑤合理选择管件等材质，以减少原电池作用。

2）冷却塔的选择。敞开式循环系统的冷却塔一般应选用机械通风逆流式冷却塔，逆流式冷却塔热水由上而下，冷空气由下而上，在塔内形成对流。这种冷却塔相对横流式、逆横流式热交换效率较高，水与空气逆流接触是最好的方式，可以充分发挥空气的蓄热能力，得到了大的焓差。

采购冷却塔时向冷却塔生产厂家提供的主要数据：①用水单元的冷却水耗量。冷却水耗量＜500m3/h时，一般都采用逆流式机械通风冷却塔；冷却水耗量＞500m3/h时，多采用单台或多台并联机械通风横流式冷却塔，或者逆横流多台组合机械通风冷却塔。②水温。冷却塔进塔水温（感应熔炼电炉用水单元出水水温）t1和出塔水温（感应熔炼电炉用水单元进水水温）t2之差，用Δt表示，Δt＝t1－t2。冷却塔行业将Δt＝5℃定为低温塔；Δt＝10℃定为中温塔；Δt＝20℃定为高温塔。感应熔炼电炉各装置的允许温升在最高进水温度下＜20℃，故冷却塔为高温塔。其实只要Δt≥11℃，冷却塔生产厂家就以高温塔来设计。③铸造工厂所在地的气象参数。影响水冷效果的主要有干球温度、湿球温度、相对温度这3个数据。这些数据可以在手册中查到，冷却塔生产厂家有这些资料，选用设计气象参数应与所在地气象参数基本一致，或优于所在地气象参数，以保证冷却效果。以上海地区设计的气象参数为例：干球温度为31.5℃，湿球温度为28℃，相对应的大气压力为753mmHg（1mmHg＝133.322Pa），风速为1.58m/s。目前，华东地区（除山东省部分地区外）的冷却塔设计基本采用上海的气象设计参数。用这个参数设计出来的冷却塔，完全适用我国北方地区，而且冷却效果更好。④现场场地与冷却塔位置的标高。

3）循环水池的设计。循环水池在感应熔炼电炉敞开式循环水冷系统中是必不可少的，它起着储存和调节水量的作用。循环水池的容积除满足水泵吸水条件所需要的基本容积外，还需要考虑所有过水容器的空间体积，如水泵系统管路、设备的储水容积、换热器中的容积以及一定的安全裕量。根据国内外有关循环水池容积的设计资料统计，循环水池的容积约为循环水小时流量值(m3或t)的1/5～1/3。国内现场运行经验表明，在此范围内的循环水池容积可满足循环水处理药剂在系统内停留时间的要求。水池容积过小，水在系统内每小时的循环次数会增加，水被加热的次数就增多，药剂被分解的概率就越高。水池容积过大，则药剂在系统中停留时间过长，药剂分解的概率也高，初始投药量也多。循环冷却水在系统中的设计停留时间不应超过阻垢剂、缓蚀剂等药剂的允许停留时间。对于没有药剂停留时间要求或对循环水池有其他储备水量要求的情况，宜根据具体条件来确定水池的容积。

循环水池设计要点：①水池净深可为2.0m。当水池有其他储备水量要求时，深度可适当增加。一般净深设计为1.2～1.5m。确定水池净深就可根据容积求出水池面积。水池宽度、长度可根据现场情况来定，但制定水池宽度要考虑应大于冷却塔百叶窗的外缘尺寸。②水池应设热水区、冷水区。热水区面积占1/3，冷水区面积占2/3。设备用水单元返回的热水流入热水区。热水区可设沉淀隔挡。热水区底部设有集水坑，坑深0.3～0.5m。为便于排污和放空池水，池底应设≥0.5%坡度的坡向集水坑。冷却塔置于冷水区上方。③循环水池的容积不同，且进出水量不等会造成冷热水区水位不均衡而形成冷热水区水位差，因此冷热水区必须贯通，贯通方式有两种：一种是在水池正常水位以上贯通，当一方水位超过正常水位以上一定高度时，溢流到另一水池，这样不会造成一侧水外溢，但两池可能存在水位差；另一种是在两池底部贯通，这个方案既可以防止一侧水外溢，也消除了两池的水位差。贯通管的口径应按最大运行流量计算，如果尺寸不足也会造成冷热水区水位差。④循环水池四周设回水台，宽度不小于1m，坡度3°～5°。回水台外围应有防止地面水流入水池的措施。

（2）单回路密闭式循环冷却系统 单回路密闭式循环冷却系统主要由下列部分组成：①热交换器（一般安装在室外），分为喷淋水蒸发形式冷却、自然通气冷却以及强制通水冷却等三种不同形式的冷却方式。②循环水泵。③密闭式循环冷却系统集装组件主要有膨胀罐（冷却水膨胀和收缩时进行系统的压力平衡）、排气阀、快充减压阀及泄压阀等。④密闭式循环冷却系统的冷却塔源于蒸发式冷凝器。闭式冷却塔采用闭式盘管换热使循环水与外部环境隔绝，从而保证了循环水质的稳定，不受污染，基本上不浓缩，不存在蒸发。所以水量消耗很小，补充水量也很少，基本上无结垢问题。金属换热盘管可承受较高的进水温度和换热温差。盘管换热不易集聚污垢和水垢。添加防冻液的闭式冷却塔可在极低的室外气温下运行。密封式循环冷却系统主要存在问题是腐蚀问题。一是氧腐蚀，另外是电偶腐蚀（又称接触腐蚀、双金属腐蚀）。

（3）双回路循环给水系统 大型感应熔炼电炉较多采用双回路循环给水系统。它是把单回路敞开式和密闭式两种系统的长处结合起来的一种循环水冷系统。

1）外回路。外回路包括：冷却塔（敞开式循环冷却系统机械通风逆变式冷却塔或密闭式循环冷却系统冷却塔）、循环水池（如果采用密闭式循环冷却系统冷却塔可不用循环水池）、循环水泵及管路等。

2）内回路。内回路包括：感应熔炼电炉感应器线圈及变频电源等用水系统、热交换器（多为板式换热器）、循环水泵及管路等、水处理装置、应急水冷系统及内回路补水系统。

双回路循环系统给水系统内回路的热交换器包括有管壳式换热器和板式换热器。早期的换热器多为管壳式，但在为感应熔炼电炉配套的换热器中多采用板式换热器。

板式换热器与管壳式换热器相比，板式换热器具有以下特点：①传热系数高。在雷诺数Re为50～200的情况下，就可以产生紊流。换热系数为3488.37～4651.16W/（m·K），在相同流动阻力和泵功率消耗情况下，是管壳式的3～5倍，对数平均温差大，末端温差小，水的换热可低于1℃，而管壳式为5℃。②占地面积小。同样的换热量，占地面积为管壳式的1/8～1/5。③重量轻。一般只有管壳重量的1/5。④易加工，易清洗，热损小，不易结垢。由于内部充分湍动，故不易结垢，其结垢系数仅为管壳式的1/10～1/3。⑤使用寿命长。采用不锈钢、镍合金、钛合金及哈氏合金等耐腐蚀材料压制，胶垫等可更换。板式换热器的极片之间的间隙较小，上面有凹凸，因此比管壳式的单位长度压力损失大。板式换热器采用密封垫密封，工作压力超过2.5MPa，介质温度250℃以上才有可能发生泄漏。这些问题对感应熔炼电炉这种压力、水温的供水系统都不是问题。

板式换热器的型式主要有框架式（可拆卸式）和钎焊式两大类。感应熔炼电炉双回路循环系统内回路用的板式换热器一般都采用带密封垫片的可拆卸式。

世界上第一台感应熔炼电炉和第一台板式换热器的研究工作都起步于19世纪70年代。意大利人于1871年发表了第一份感应熔炼电炉的专利。板式换热器的发明专利由法国人于1878年公布。到20世纪20年代，板式换热器已经开始在工业中得到应用。近几十年来，双回路循环系统作为内回路的热交换器，板式换热器已成为电炉生产厂家配套的首要选择。

板式换热器选型是双回路循环系统用户关心的问题。板式换热器生产厂家在某种型号设计出来后，往往对该型号的热工性能并无定量的数据。这很正常，因为换热介质的温度随时在变化，影响传热系数的因素很多。厂家一般都是采用以传热和压降准则方程式为基础的设计计算方法进行板式换热器的选型。当然，该准则方程式的准确度取决于厂家试验水平及试验工况与现场运行工况两者的吻合度。板式换热器的用户应向厂家提供以下数据：使用地海拔高度、纬度、内回路冷却水流量、水质；进出（板式换热器）外回路/内回路循环水的温度、温升以及冷却水在板式换热器内的水压降等。水压降是重要数据，它直接影响板式换热器的大小，但多数用户难以提供。在用户不能提供的情况下，板式换热器生产厂家一般根据经验，在0.02～0.1MPa之间选取一个值进行选型时的计算。

使用板式换热器应注意以下几个问题：板式换热器板片间通道很窄，一般只有2～5mm，对进入板式换热器冷却水的总固体含量应控制在相关国家标准规定的范围内；板式换热器由不同的波纹板（人字纹）相互倒置，构成复杂的流道，使水在波纹板间流道内呈旋转三维流动，在较低的流速下即可产生强列的湍流；片面强调高传热系数而提高水压、增加流速会导致水压降增大；选型时应考虑结垢后热阻影响换热的因素。

4.4 循环水冷系统设计采用的标准

感应熔炼电炉循环水冷系统设计主要参照以下标准：GB/T 50102—2014 《工业循环水冷却设计规范》；GB/T 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》 ；GB 50015—2019《建筑给水排水设计规范》；GB/T 50106—2010《建筑给水排水制图标准》；GB/T 50013—2018 《室外给水设计标准》。

5 感应熔炼电炉循环水冷系统应用举例

5.1 美国Ajax公司为国内某铸造工厂21t工频感应熔炼电炉配套的循环水冷系统

（1）冷却水技术条件

1）为两套感应器线圈、工频电源组、工频变压器供应冷却水。冷却给水→每台设备水量2×12m3/h，水温37℃→工频炉感应器→压降0.21MPa→温升17℃→冷却排水；冷却给水→每台设备水量2×2m3/h，水温37℃→工频电源组→压降0.21MPa→温升17℃→冷却排水；冷却给水→每台设备水量2×2m3/h，水温37℃→工频变压器→压降0.21MPa→温升17℃→冷却排水。

2）水质要求：总硬度（以CaO表示）≤100mg/L；溶解性固体总量≤200m g/L；悬浮性固体总量≤200mg/L；电导率0.01～0.003S/m；pH值7～9。

水温控制标准：进水温度37℃，出水温度54℃。

（2）冷却水系统设计数据 采用单回路闭式循环水冷系统。系统水量为32m3/h。循环水泵设计供水能力35m3/h。富余供水能力3m3/h，约为系统循环冷却水量的9%。循环水泵设计供水压力0.47MPa，其中工频炉冷却水压力损失约0.21MPa，管道及附属设施压力损失约0.21MPa，富余水压0.05MPa。工频炉冷却水温升17℃，闭式冷却塔温降18℃，富余水温差1℃。

（3）冷却水系统主要设施 封闭式循环水冷系统主要包括闭式冷却塔、循环水泵等。为保证各用水单元均衡用水，监控各冷却单元工作状态，在各冷却单元进、出管路上安装水压表、水温计、调节阀等[7]。

5.2 日本某公司为2500kW、500kW变频电源配套的循环水冷系统

1）冷却水质量条件：在60℃以下冷却水应不含沉淀物和杂质，而能通过50目过滤网为准（目数就是过滤网每平方英寸上的孔数目。50目就是每平方英寸上的孔眼有50个。它同时用于表示能通过过滤网的颗粒的粒度。粒度一般用等效体积颗粒的计算直径来表示。由于编织过滤网丝的粗细不一，各国同样粒度对应的数目也不一样。日本标准50目，对应的粒径为0.300mm。美国标准与日本相同，50目对应的粒径也为0.300mm，而英国标准为52目，我国的标准为60目）。

2）水压：在变频电源进水口水压为0.3～0.4MPa。

3）水温：0～32℃，不致水结冰。

4）流量：2500kW变频电源时，流量最小值为24m3/h；500kW变频电源时，流量最小值为9m3/h；总流量最小值为35m3/h。以上只是变频电源主机冷却水流量值，电热电容器及大电流母线冷却水流量未计算在内。

5）水冷系统外回路用水：工业水；内回路用水：纯净水（脱离子水）。

6）冷却体：热交换器，设置于纯净水与工业水之间。包括有纯净水供水水泵、离子交换器等。

5.3 美国应达公司为国内某铸造工厂6000kW/300Hz/12.5t感应熔炼电炉配套的循环水冷系统

（1）冷却水技术条件

1）变频电源冷却水：电导率0.001S/m（最大）；50%去离子水-50%低电导率乙二醇。

2）炉体冷却水：电导率0.08S/m或更小；硬度56.08mg/L或更小；pH值7.0～8.0；悬浮颗粒10mg/L或更小；50%水-50%低电导率乙二醇。

以上低电导率乙二醇为工业标准级，不含抗氧化剂和添加剂，具体混合比例视当地气候条件来定。

3）液压系统冷却水由炉体冷却水或由独立的城市水源供给。

4）循环水池冷却水硬度84.12mg/L或更小；悬浮性固体10mg/L或更小；pH值7.0～8.0。

（2）冷却水系统的设计

1）变频电源、炉体冷却水系统主管路长度超过73.152m（240英尺），管径加大一档。

2）在回水和进水之间添加一自动阀，当循环水温过低时，可自动开起，将进水和回水短路，阻止循环水进入换热装置，防止进入变频电源和感应器线圈的冷却水温过低，造成水管因冷却收缩而引起渗漏。

3）所有水冷电缆、冷却水管均要求采用美国盖茨公司（Gates）耐压6000V的无碳绝缘胶管。

4）炉体冷却水进水分配管装有水压表、温度表、温度开关、水压开关、流量开关。出水分配管的各路回水管上装有热电耦，由仪表显示回水实时温度。

5.4 美国某公司为国内某铸造工厂铝合金感应熔炼电炉配套的循环水冷系统

此为密闭式循环水冷系统，由两台热交换器组成。

1）主泵出口处管路装有水压开关，用来控制由蓄电池供电的直流应急水泵，停电后水压下降，水压开关动作，使直流应急水泵工作，维持炉体继续冷却。

2）供水主管路装有温控阀和3个温控开关TS1、TS2、TS3。温控阀为三通结构。三通结构的A口为主管路进水口，B口不经过热交换器组，C口通热交换器组。温控阀温度设定在23.9℃。当水温低于23.9℃时，温控阀的A口、B口通，水不进入热交换器。当温控阀的温度高于23.9℃时，A口、C口通。水进入换热器组。安装在主管路上的温控开关，TS1设定为34℃，TS2设定为38℃，由这两个开关分别控制1#、2#热交换器。当水温高于34℃时，1#热交换器的风机开起；当水温高于38℃时，2#热交换器的风机开起。TS3设定在50℃，是用于故障报警。当冷却器出故障，水温超过50℃时，TS3控制声光报警[8]。

6 循环水泵、阀门的选择及管路的设计

6.1 循环水泵的选择

按国际标准化组织标准ISO 2858端吸式离心泵规定的性能尺寸设计的离心泵称之为IS型泵。感应熔炼电炉循环水冷系统应选择这种型式的泵。流量在400m3/h（对应功率约8MW的炉子）以下时选用单级单吸泵，800m3/h（对应功率约16MW的炉子）以上可选用单级双吸泵。感应熔炼电炉的循环水冷系统一般流量在400m3/h以下为多。这种离心泵多采用卧式（水平轴结构）。卧式泵具有较好的经济性，便于维修保养，安装精度要求比立式泵低，适应于供水均匀、稳定的场合。另外，满足同样使用参数和要求的卧式泵的系列产品容易获得。

水泵的工作参数与几何参数（以下“水泵”均指离心泵）都反映在铭牌上：流量Q（泵在单位时间输出的水量）、扬程H（单位质量如1kg的水从泵进口到出口所增加的能量J除以重力加速度，也就是水在水泵进出口处的比能差值除以重力加速度，单位是J/（kg·m/s2）。为方便，也可用几何高度（单位为m）表示。功率P（即轴功率，单位时间内水泵做的功，kW），效率η（水泵有效功率与轴功率之比）。转速n（叶轮每分钟转数r/min）允许吸上真空高度Hs或必须的汽蚀余量（NPSH）。

影响水泵性能的因素主要有流量Q、扬程H、功率P等，三者与泵的效率η的关系如图1所示。

图1 流量Q、扬程H、功率P关系曲线

图1 中，Q-η曲线即流量Q与效率η关系曲线，曲线上最高点为最高效率点M，与M点对应的流量Q和扬程H就是水泵的额定流量Qe和额定扬程He。曲线上a、b段为水泵最佳工作范围。Q-H曲线为流量Q与扬程H关系曲线。它反映水泵的流量Q与扬程H之间的对应关系。选泵时，流量Q与扬程H只要在该曲线的a、c之间选取，都属于合理工作范围。水泵不可能恰好同时在额定流量、额定扬程下工作，它有一个适用范围，流量Q一般允许在额定值Qe的0.7～1.2倍的范围内工作。扬程H的范围稍窄，可在额定值He的0.9～1.05倍的范围内工作。为使水泵运行有较高效率，实际的扬程H应尽可能与水泵的额定扬程He接近。Q-P曲线为流量-功率曲线，随着流量增加，功率近似线性上升的一条曲线。通过这条曲线我们理解为什么大型离心泵在出口处设置闸阀，起动前暂时关闭闸阀就是为了减少流量而降低功率，便于水泵的启动。

水泵的基本参数有两个，流量Q和扬程H。这两个参数表征了水泵的工作能力，选泵一般都是从这两个参数入手。

1）确定水泵流量Q、扬程H：水泵流量Q的确定详见本讲第3节《感应熔炼电炉冷却水流量计算》。

水泵的扬程以叶轮中心线为基准分吸水扬程（从叶轮中心线至水面垂直高度的扬程）、压水扬程（从叶轮中心线到感应熔炼电炉用水单元进水口的垂直高度的扬程）。扬程为两者之和。水泵铭牌上标注的扬程是指水泵本身能产生的扬程，但它不包括管道水流受摩擦阻力而引起的损失扬程。

式中 Hj——计算扬程（m）；

H1——保证感应熔炼电炉用水单元进水的水压的扬程（m）；

H2——提水高度扬程，即水泵到用水单元进水口的垂直高度（m）；

H3——水泵到用水单元管路阻力损失扬程（m）。

根据水泵扬程与水压的关系，0.1MPa水压约等于10m扬程。如果0.2～0.3MPa，所需扬程为20～30m。

H3包括沿途阻力损失扬程（沿管路内壁的阻力损失的扬程集合）及局部阻力损失扬程（水经管路连接件阀门、弯头等的阻力损失扬程集合）。管路沿途阻力损失扬程的计算比较复杂，现场有时采用表2，可近似得到管路沿途阻力损失的扬程值。

从表2查到的数值乘以管路长度（m）就得到钢管（或铜管）损失扬程。PVC管的管损扬程约为钢管（或铜管）的0.7倍。

表2 每米钢管（或铜管）管路损失扬程

局部阻力损失扬程有时可将阀门或不同角度的弯头平均每只折合为0.5m的扬程损失。

我国给水泵扬程裕量规定为计算扬程Hj的10%～15%，则额定扬程为

为简便，可采用经验式（19）确定水泵额定扬程He，经多年现场验证，表明用式（19）选择水泵（离心泵）的额定扬程是完全适合的。

式中 He——水泵额定扬程（m）；

K——扬程选择经验系数，取K＝150～200；

M——到达感应熔炼电炉感应器线圈或变频电源、电热电容器、大电流母线等用水单元进水口水压（MPa）。一般为0.2～0.3MPa。

2）确定水泵进出水管的材料及经济管径。

3）确定水泵工作及安装高度。

4）校核水泵的吸水高度，保证安全运行，使水泵有足够的汽蚀余量[9-11]。

6.2 阀门

阀门是循环冷却水系统管路的控制装置，其基本功能是接通或切断管路冷却水的流通或流通方向，调节冷却水的压力和流量。

我国常用阀门类型代号有12种，分为四大类：截断类——闸阀、蝶阀、截止阀、球阀、旋塞阀及隔膜阀；调节类——节流阀、减压阀及蝶阀（原来用于调节流量，现更多用于截断介质用）；自动类——安全阀、止回阀、疏水阀及排气阀；分流类——三通阀（用于改变介质流向，起分配、分离、混合介质用，如三通球阀、三通截止阀等）。

阀门在循环冷却水系统中的应用：

1）进出循环水泵必须有截止阀。

2）进出并联的供水单元，必须有用于调节冷却水压力和流量的阀门。

3）如果系统有储水箱，与储水箱接在一起的必须有止回阀。

4）扬程较大的泵，应在出水管路上装设闸阀和逆止阀。

5）空气的热导率低，气体在循环水管系统的管路中会对水冷系统产生不利影响。在循环水冷系统管路中有气体时，气体会沿着管路聚集到最高点，因此应在管路的最高点安装排气阀。

6）冷却塔或换热器可分设2～3级，用温控阀（三通）和温控开关按设定水温进行级别切换。

阀门的基本参数：公称通径（代号DN，单位为mm），它是阀门进出口的名义尺寸，与实际尺寸有差别，适用标准为GB/T 1047—2019《管道元件公称尺寸的定义和选用》；公称压力（代号PN，单位为MPa），适用标准为GB/T 1048—2019《管道元件公称压力的定义和选用》；适用介质。

6.3 管路的设计

（1）循环水冷系统的管路设计应注意事项

1）水管内壁光滑。冷却水流经管路与内壁摩擦、冲击、产生紊流，内壁光滑可减小水阻，能源损失也会减少。

2）管路尽可能短。

3）减少弯管。水流经弯管，会使水流速度改变、产生挤压、撞击而消耗能量。尽量采用135°弯管。

4）采用经济管径。

（2）水管材质 变频电源、电热电容器、大电流母线的循环水冷系统管路可采用工业纯铜、不锈钢材料，不得使用钢材料；感应器线圈水路的管路可以采用钢或PVC材料。感应熔炼电炉的循环水冷系统在任何场合均不得使用铸铁管和镀锌钢管。

（3）管径设计 管径d是指水管的过水直径。管径的确定主要取决于体积流量（m3/s）和流速（m/s)。感应熔炼电炉的循环水冷系统管路的流速不超过3m/s，对压力0.2～0.3MPa的循环水，主管流量一般为1.5～3.0m/s，支管为1.0～1.5m/s。大流量取上限，小流量取下限，一般首次试算时，主管流量取2.0m/s，支管取1.2m/s。采用GB 50013—2018《室外给水设计标准》：水泵吸水管直径＜250mm时，流速为1.0～1.2m/s；水泵出水管直径＜250mm时，流速为1.5～2.0m/s。

管径按式（20）计算：

式中 d——管径（m）；

W——循环水体积流量（m3/s）；

V——流速（m/s）。

采用经济管路。流量一定，管道过水截面积越大，水阻就越小，水流对管壁的撞击挤压也就越小。适当加大出水管路管径，可降低水的压降。

（4）管路安装

1）在泵的入口侧、出口侧尽可能接近水泵的地方为管道提供足够的支持。避免管道应力传递到泵体上。

2）进水管路不得漏气，因离心泵吸水必须保持真空。注意管路接法兰与水泵法兰对接平面平整，中间垫一层3～5mm厚橡皮垫圈，垫圈内口不要小于管道内口。管道内口要对准。联接螺栓应对称拧紧、松紧程度一致。

3）水泵进水管路设计。进水管尽可能短而直，必须用弯管也应选用较大半径的弯管。为使水路入口水流速度均匀，弯管不能在水泵入口直接安装，而要有一段长度不少于3倍管径的直管再装弯管。为降低进水流速，并减小水泵吸入管浸入水下深度，可扩大水管进水管径。水泵进水管径设计大于出水管径1.3～1.5倍。由于进水管径大于水泵口径，一般用偏心并径管过渡。安装时必须上平下斜，若装反容易产生气阻。为避免管路产生气阻，进水管应水平或稍向下倾斜，不得高出水泵进水口。浸入水池的水泵进水管离池壁不得小于管径的1.5倍。

4）在水泵进水端安装闸阀，在出水管路上安装闸阀和止回阀。止回阀的作用是为防止意外停泵，水倒流引起叶轮反转、松脱。逆止阀应紧靠水泵出水口。闸阀紧接在逆止阀后面，停机时，先关闭出水口闸阀，这样可减小水泵的振动。

5）水泵进水管插入水池中0.5m深度。过深时会加大扬程，过浅抽水时进水管周围会出现一个漩涡，把空气卷到水泵里去，使出水量减小。

7 感应熔炼电炉循环水冷系统测量

7.1 冷却水回路的密封性

首先将水压调节到其规定的最低值（如0.2MPa），冷却水在所有冷却回路内应畅通，然后关闭各冷却水回路出口，用泵将水压升到厂家规定水压最高值（如0.3MPa）的1.5倍，并应至少保持5min，管路应无水泄漏点或压降并检查冷却系统所有阀门，以确定满足规定的运行情况。

7.2 冷却水流量

水量由流量计测量或由一定时间内流出冷却水的体积除以该时间算得，流量试验的目的是检查回路能否在不超过规定压降的情况下通过规定的流量。

7.3 冷却水温升

冷却水温升应在感应熔炼电炉已运行足够长时间并确保处在热态后进行。

感应熔炼电炉进口处的水压及流量应在生产厂家规定的范围内，温度应在用水单元进出口处用玻璃温度计测量或用传感器监测。

以上所述冷却水回路密封性试验和流量试验作为冷态试验是必选的项目，而热态试验中的温升试验是生产厂家与用户协商后可选的试验项目。

8 感应熔炼电炉水垢防止控制与线圈铜管垢层的清理

8.1 水垢的形成及其危害

感应熔炼电炉中变频电源的半导体器件、电感器件、水冷的电热电容器、大电流母线以及感应器线圈的冷却水硬度超过一定值，随着水温升高，水中碳酸盐和非碳酸盐类浓度逐渐超过饱和极限发生沉淀而形成水垢。水垢沉积在线圈或通水器件内壁，会缩小过水面积，增加水阻。

常用普通纯铜的热导率，0℃时为391.0W/（m·K），20℃时为390.0 W/（m·K），80℃时为382.5 W/（m·K），而水垢的热导率仅在0.7～ 23.3W/（m·K）。线圈或通水器件只要表面结垢，不仅影响换热效率，而且会增加线圈和器件的能耗，一般来讲，垢层1mm时，相当于8%的能源消耗。垢层越厚，换热效率越低，能源消耗就越大，同时也使循环水系统管道阻力增大，造成动力的浪费。垢层厚度与换热效率下限的关系见表3（资料来源：《ASHRAE JOURNAL》，1997，第39卷第4期）。

表3 垢层厚度与换热效率下限比值

8.2 水垢的防止与控制

防止与控制水垢有物理方法和化学方法。

（1）物理方法 物理方法主要有水的磁化处理与静电处理。

1）水的磁化处理：冷却水垂直于磁力线的方向通过磁场N、S极间，水即被磁化处理。经过磁化处理的冷却水产生的无定型粉粒不会沉淀黏附在线圈铜管或通水器件内壁，也就不会形成水垢。但磁化处理只能起到一定的阻垢作用。冷却水的浸蚀、杀菌、旁滤等处理还需采取其他措施。

2）水的静电处理：当前，静电处理分两类，一类是利用高压静电场进行水质处理；另一类是冷却水吸收高频电磁能量后，使水中钙镁离子无法与碳酸根离子结合成碳酸钙和碳酸镁，从而达到阻垢的目的。高频电子除垢的同时，也能起到杀菌、灭藻、防锈的作用。

目前，物理方法多应用在单台设备或小型循环水系统中，并有其局限性，而且其技术尚待完善，与水质软化的要求尚有很大距离。

（2）化学方法 化学方法处理应用比较广泛，其技术较成熟，也较经济和有效。用化学方法可以较方便地解决碳酸钙沉积问题，主要方法如下。

1）除去部分成垢离子：碳酸盐水垢的成垢离子是钙及碳酸根离子。在水中钙离子及碱度较高时，可除掉部分硬度和碱度，使水的成垢离子降低。常用的方法有离子交换法和石灰软化法。

2）酸化法或碳化法：降低循环水的pH值，稳定碳酸氢盐。

酸化法是在循环水中加磷系缓蚀配方的硫酸。加酸后碳酸盐碱度减少了，pH值也相应下降，碳酸钙结垢的可能性就降低了。

碳化法是将烟道废气中的二氧化碳通入循环水中，生成的碳酸氢钙的溶解高于碳酸钙，可避免碳酸钙结垢。

3）在循环水中加入少量阻垢剂，破坏碳酸钙等成垢盐类的结晶成长，防止水垢沉积。

常用的阻垢剂有以下几类：聚羧酸类、膦酸类、有机酸酯类和膦羧酸类等[12]。

8.3 感应器线圈垢层的清理

感应加热设备中变频器的平波电抗器、电感线圈、感应器线圈在工作一段时间后如产生水垢，要及时加以处理。

水垢的主要成分是碳酸盐，而在碳酸盐水垢中含有80%以上的碳酸钙，如果水中硅酸盐及硫酸盐含量低且线圈不存在腐蚀时，碳酸钙的含量可达95%左右。碳酸盐水垢最易溶于无机酸和有机酸。在常温时，5%以下的稀盐酸中碳酸盐水垢可全部溶解，溶解时将产生大量CO2气体。

其化学反应式为：CaCO3+2HCl→ CaCl2+CO2↑+H2O

用盐酸清洗水垢时可由垢层厚度选择酸液浓度，见表4。

表4 清洗水垢时酸液浓度的选择

有“点蚀”的线圈铜管应使用80%的氨基酸清洗。若有较严重的均匀腐蚀则不宜进行化学清洗。

在勾兑盐酸溶液时，应使用以咪唑啉为主的缓蚀剂，为抑制腐蚀，在溶液中可加入50～100mg/L二硫基苯并噻唑（MBT）。

使用过的废酸溶液的处理一定要遵循国家关于废液排放的标准[13，14]。

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