冶金行业的生产过程伴随着极端高温、强腐蚀和剧烈振动等严苛工况，从炼钢转炉的炉体冷却，到轧机的辊系降温，再到金属热处理的温控调节，每一个环节的温度管理都直接影响产品的物理性能、尺寸精度和生产安全。冷水机作为关键冷却设备，需在环境温度高达 60℃、粉尘浓度超 30mg/m³ 的工况下，提供稳定的冷却能力（控温精度 ±1℃），同时具备耐高温冲击、抗磨损和连续运行的特性。冶金用冷水机的选型与运行，是平衡设备寿命、产品质量与生产效率的核心环节，更是推动冶金行业向高效化、高品质发展的重要支撑。

一、冶金行业对冷水机的核心要求

（一）耐高温冲击与热负荷波动

冶金生产的高温特性对设备耐热性能提出极致要求：

• 炼钢转炉的氧枪和炉口烟罩需承受 1600℃以上的辐射热，冷却水温需控制在 35±2℃，热流密度达 100-200kW/m²，停水 5 分钟即可能导致设备烧损；

• 热轧机的工作辊在轧制高温钢坯（1000-1200℃）时，辊面温度升至 300℃，需快速冷却至 100±5℃，冷却不足会导致辊面龟裂（寿命缩短 50%）；

• 连续铸造的结晶器需将钢水从 1500℃冷却至 900℃以下，冷却水量波动超过 ±5% 会导致铸坯表面裂纹（废品率≥3%）。

某钢铁厂因冷水机故障导致结晶器冷却中断 8 分钟，铸坯出现表面纵裂，直接报废损失超 200 万元，停产整改 3 天。

（二）抗腐蚀与防堵塞能力

冶金环境的复杂介质对设备构成严峻挑战：

• 冷轧车间的冷却系统会接触乳化液（含轧制油和酸洗液），长期运行会导致管道内壁油垢附着（热阻增加 30%），需具备防油污染能力；

• 不锈钢生产的酸洗工序会产生氯化氢气体，冷却系统需耐受 pH 2-3 的酸性腐蚀，年腐蚀速率需≤0.1mm；

• 冶金粉尘（如氧化铁、氧化锰颗粒，硬度 6-7 Mohs）会进入冷却系统，导致管道和换热器磨损堵塞（流量下降 20%-30%）。

某不锈钢厂因冷却器被酸洗废液腐蚀泄漏，导致轧机停机检修，生产中断 12 小时，损失超 500 万元。

（三）高可靠性与防爆安全保障

冶金大规模生产要求设备具备极致稳定性：

• 冷水机组需支持 365 天连续运行（MTBF≥12000 小时），平均维修时间≤1 小时，避免生产线停线（损失≥5 万元 / 小时）；

• 高温区域的冷却设备需达到防爆等级 Ex dⅡBT4，表面温度≤135℃（避免点燃可燃气体）；

• 关键系统（如结晶器、主轧机）需采用 2N 冗余设计，单机组故障时切换时间≤10 秒，确保生产不中断。

二、不同冶金工艺的定制化冷却方案

（一）炼钢与连铸：炉体与结晶器冷却

1. 转炉冷却系统

某钢铁厂采用该方案后，转炉烟罩寿命从 6 个月延长至 18 个月，年减少更换成本 1200 万元。

◦ 核心挑战：转炉炼钢（容量 100-300t）的炉口烟罩、氧枪和耳轴需强制冷却，烟罩温度需控制在≤200℃，高温会导致耐热钢变形（密封失效）。

◦ 定制方案：

▪ 采用高压离心式冷水机（制冷量 2000-5000kW），供水压力 1.5-2.0MPa，为烟罩水套和氧枪冷却供水，水温控制在 35±1℃；

▪ 冷却水路采用双回路设计（主回路 + 应急回路），配备柴油发电机（确保停电时应急供水≥1 小时）；

▪ 烟罩水套采用紫铜材质（导热系数高），内部流道螺旋分布（增加换热面积 40%），进出口温差控制在 8-10℃。

1. 连铸结晶器冷却

◦ 核心挑战：连铸结晶器需将钢水快速冷却成坯壳（冷却速率 50-100℃/s），冷却水量需精确控制（流量偏差≤3%），水量不足会导致漏钢事故。

◦ 定制方案：

▪ 采用超高压冷水机（制冷量 1000-3000kW），供水压力 2.5-3.0MPa，为结晶器供水，水温控制在 30±1℃；

▪ 采用 “一次冷却水 + 二次冷却水” 分级冷却，一次水直接冷却结晶器（流量 80-150m³/h），二次水冷却铸坯；

▪ 与连铸机 PLC 联锁，根据拉坯速度（0.5-2m/min）自动调整水量，速度提升时同步增加 10% 流量。

（二）轧钢工艺：热轧与冷轧冷却

1. 热轧机冷却系统

◦ 需求：热轧机（工作辊直径 500-1000mm）的辊系和牌坊在轧制时温度升至 300℃，需冷却至 100±5℃，冷却不均会导致轧件尺寸偏差（≥0.5mm）。

◦ 方案：

▪ 采用水冷式螺杆冷水机（制冷量 1500-4000kW），为工作辊、支撑辊水套供水，水温控制精度 ±1℃；

▪ 辊道冷却采用 “内部水冷 + 外部喷淋” 复合方式，内部水流速≥2m/s，外部高压喷淋（压力 1.0MPa）；

▪ 系统配备磁过滤器（去除铁磁性颗粒）和自清洁过滤器（精度 100μm），每周清理滤渣。

1. 冷轧机冷却

◦ 需求：冷轧机的轧辊和液压系统需冷却，轧辊温度需控制在 50±2℃，高温会导致轧件表面划伤（废品率≥2%）。

◦ 方案：

▪ 采用变频螺杆冷水机（制冷量 500-2000kW），为轧辊和液压油冷却器供水，水温控制在 25±1℃；

▪ 冷却水路采用 316L 不锈钢管道（耐轧制油腐蚀），密封件为氟橡胶（FKM）；

▪ 与冷轧机速度联锁（500-1500m/min），速度提升时自动增加冷却水量（同步率≥95%）。

（三）金属热处理：加热与淬火冷却

1. 热处理炉冷却系统

某合金厂采用该方案后，热处理炉温均匀性从 ±10℃提升至 ±5℃，产品硬度偏差减少 30%。

◦ 核心挑战：金属热处理炉（温度 800-1200℃）的炉壳和加热元件需冷却，炉壳温度需控制在≤80℃，高温会导致炉体变形（炉温均匀性下降）。

◦ 定制方案：

▪ 采用风冷式冷水机（制冷量 200-1000kW），为炉壳水套和换热器供水，水温控制在 30±1℃；

▪ 冷却水路采用分区控制（炉顶、炉侧、炉底独立调节），确保炉壳温差≤5℃；

▪ 系统配备高温报警装置，炉壳温度超 80℃时自动增加冷量并声光报警。

1. 淬火冷却系统

◦ 需求：金属淬火需将工件从 800-1000℃快速冷却至 200℃以下（冷却速率 50-100℃/s），冷却不均会导致工件开裂（废品率≥5%）。

◦ 方案：

▪ 采用复叠式低温冷水机（制冷量 300-1500kW），配合淬火槽实现阶梯冷却，水温控制精度 ±1℃；

▪ 淬火介质为水或油，通过板式换热器与冷水间接换热，避免介质污染冷却系统；

▪ 与淬火炉联动，根据工件材质（钢 / 铝合金 / 钛合金）自动调整冷却速率和终冷温度。

三、运行管理与维护策略

（一）防腐蚀与耐磨管理

1. 材质选择与防护

◦ 高温腐蚀环境：转炉、连铸冷却系统采用铜合金 + 316L 不锈钢，氧枪冷却管选用无缝铜管（壁厚≥5mm）；

◦ 酸洗环境：不锈钢车间冷却系统采用钛合金换热器和双相钢 2205 管道，耐氯离子腐蚀；

◦ 耐磨强化：在管道弯头、水泵入口等易磨损部位喷涂碳化钨涂层（厚度≥1mm），延长寿命 3-5 倍。

1. 水质处理方案

◦ 闭式循环系统：使用去离子水 + 乙二醇溶液（浓度 30%），添加缓蚀剂（如苯并三氮唑），控制电导率≤50μS/cm；

◦ 开式循环系统：采用软水（硬度≤50mg/L），添加阻垢剂（聚磷酸盐）和杀菌剂（季铵盐），pH 控制在 7.5-8.5；

◦ 过滤系统：总进水口安装自清洁过滤器（精度 200μm）+ 磁性分离器，拦截铁磁性颗粒（效率≥98%）。

某钢铁厂通过精准的材质匹配和水质管理，冷却系统腐蚀速率从 0.2mm / 年降至 0.05mm / 年，设备寿命延长至 8 年。

（二）高温环境适应与振动控制

1. 设备散热与防护

◦ 高温环境安装：冷水机放置在通风良好的阴凉区域，冷凝器加装强制通风装置（风量≥10000m³/h）；

◦ 电气防护：控制柜加装空调（维持温度≤30℃）和防尘罩，电气元件选用耐高温型号（工作温度≤85℃）；

◦ 隔热措施：高温管道采用硅酸铝保温层（厚度≥100mm），表面温度控制在≤50℃。

1. 振动隔离与缓冲

◦ 设备安装：采用弹簧减震器 + 橡胶垫双层减震，振动加速度控制在≤0.5g（设备基础）；

◦ 管路连接：采用金属波纹管（补偿量≥100mm）和柔性接头，减少振动传递（管路振动≤0.3mm）；

◦ 防松措施：所有螺栓采用施必牢螺纹 + 点焊固定，关键部位安装振动传感器（超限时预警）。

（三）节能运行与应急保障

1. 负荷精准匹配

◦ 变频控制：根据炼钢量、轧机速度自动调整压缩机转速（30-50Hz），部分负荷时节能 30%-40%；

◦ 余热回收：利用转炉烟气余热（800-1000℃）和轧机冷却水余热（60-80℃）发电或加热热水，年节约标准煤 5000 吨；

◦ 某钢铁厂应用后，冷水机年耗电量下降 500 万度，余热回收年创效益 400 万元。

1. 应急处理预案

◦ 冷却中断：立即启动备用冷水机和应急水泵（切换时间≤10 秒），同时通知生产车间紧急降负荷（如停止出钢、降低轧速）；

◦ 管道泄漏：采用带压堵漏技术（注胶密封）临时处理，制定停机维修计划（优先在检修窗口更换）；

◦ 水质恶化：紧急排放污染水体，用高压水冲洗系统 3 次，重新投加缓蚀剂和杀菌剂（双倍剂量）。

四、典型案例：大型钢铁企业冷却系统设计

（一）项目背景

某大型钢铁企业（年产钢 1000 万吨）需建设高效冷却系统，服务于 2 座转炉、4 台连铸机、6 架热轧机及热处理车间，要求系统总制冷量 20000kW，单位产品冷却能耗≤2kWh/t 钢，年运行时间 8000 小时。

（二）系统配置

1. 分区冷却架构：

◦ 炼钢区：6 台 3000kW 高压离心冷水机（5 用 1 备），供应 35±1℃冷却水至转炉和氧枪，总流量 10000m³/h；

◦ 连铸区：4 台 2500kW 超高压冷水机，服务结晶器和二次冷却，水温控制 30±1℃；

◦ 轧钢区：8 台 2000kW 变频冷水机，为热轧机和冷轧机冷却，控温精度 ±1℃；

◦ 热处理区：3 台 1000kW 复叠式冷水机，满足淬火和炉体冷却需求。

1. 安全与节能设计：

◦ 全系统采用多级过滤和防腐蚀设计，关键设备冷却回路独立控制，配备 2N 冗余电源；

◦ 安装智能能源管理系统，实现负荷动态调整和余热回收（年节约标准煤 8000 吨）；

◦ 转炉烟气余热发电系统与冷却系统联动，年发电量达 5000 万度，减少外购电消耗。

（三）运行效果

• 生产安全：系统运行 3 年无重大冷却事故，转炉烟罩、结晶器等关键设备寿命延长 2 倍以上；

• 产品质量：铸坯表面合格率从 95% 提升至 99%，轧件尺寸精度偏差≤0.3mm，通过 ISO 9001 认证；

• 成本效益：单位产品冷却能耗降至 1.5kWh/t 钢，年总节能效益 3000 万元，投资回收期 4 年。

冶金行业的冷水机应用，是 “耐高温冲击” 与 “抗腐耐磨” 的完美结合，它不仅能保障冶金设备的稳定运行和产品品质，更能通过节能设计和余热回收实现绿色发展。随着冶金行业向智能化、低碳化发展（如短流程炼钢、特种合金生产），冷水机将向 “更高压力（≥4.0MPa）、智能热负荷预测、零碳冷却” 方向发展。