黑色金属冶炼行业作为国民经济的基础性传统行业，其生产过程对温度的精准控制直接影响钢材质量、设备寿命和生产效率。从高炉炼铁的热风炉冷却，到转炉炼钢的氧枪降温，再到轧钢生产线的辊道控温，每一个环节的温度管理都决定着钢铁产品的力学性能、成材率和生产成本 —— 数据显示，连铸结晶器温度偏差 1℃会导致铸坯裂纹率上升 0.5%，冷却不足会使轧机轴承寿命缩短 25%，直接影响生产连续性。冷水机作为钢铁车间的核心温控设备，需在高温、高粉尘、多水汽的环境中，提供 5-40℃的宽域控温能力（精度 ±1℃），同时具备耐铁鳞腐蚀、防粉尘堵塞和连续运行的特性。黑色金属冶炼用冷水机的选型与运行，是平衡传统钢铁工艺稳定性、生产效率与作业安全的核心环节，更是推动传统钢铁行业向绿色化、智能化转型的重要支撑。

一、黑色金属冶炼行业对冷水机的核心要求

（一）精准温控与钢铁品质稳定性

钢铁工艺特性对温度波动极为敏感：

• 高炉热风炉需控制冷却水温度≤45℃，温度过高会导致热风温度下降（每吨铁增加焦比 1kg），能耗上升；

• 连铸结晶器需维持水温 25-30±1℃，温差过大会导致铸坯表面裂纹（废品率上升 2%），影响后续轧制；

• 热轧机工作辊需控制温度 60-80±2℃，温度不当会导致板形不良（浪形率上升 5%），降低产品等级。

某钢铁厂因连铸结晶器温控偏差（±3℃），导致一批次板坯出现表面纵裂，轧制后废品率达 8%，直接损失超 1000 万元。

（二）耐恶劣环境与防堵塞能力

冶炼环境对设备构成极端挑战：

• 冷却系统需耐受铁鳞（FeO、Fe₂O₃）、高炉煤气（含 CO、H₂S）和冷却水（硬度≥200mg/L）的侵蚀，金属部件需采用耐候钢（Q355NH）或双相不锈钢（2205）；

• 与冷却介质接触的管路需安装防堵塞过滤器（精度 150μm），防止铁屑、粉尘和水垢沉积堵塞流道；

• 密封件需选用耐高温氟橡胶（FKM），耐受长期高温（≤200℃）和水汽侵蚀，溶胀率≤3%，使用寿命≥8000 小时。

某钢厂因轧机冷却器被铁鳞堵塞，导致工作辊温度失控，热轧卷板形不良率上升 15%，持续 3 天未恢复正常生产。

（三）连续运行与能效优化

规模化生产要求设备极致稳定：

• 冷水机组需支持 365 天连续运行（MTBF≥15000 小时），平均维修时间≤1 小时，避免高炉 / 转炉停机（损失≥50 万元 / 小时）；

• 需支持负荷动态调节（30%-100%），适应不同冶炼阶段（炼铁 / 炼钢 / 轧钢）的冷却需求差异；

• 运行能效比（COP）需≥3.0，通过变频调节和余热回收，单位钢材冷却能耗≤50kWh / 吨。

二、不同钢铁冶炼场景的定制化冷却方案

（一）炼铁工段：高炉与热风炉冷却

1. 高炉冷却系统

某钢铁厂采用该方案后，高炉一代炉龄从 10 年延长至 15 年，休风率下降至≤1%。

◦ 核心挑战：高炉（炉温 1500-1600℃）的炉壁、炉底和风口需冷却，温度过高会导致炉衬烧穿（漏铁水风险增加 20%）。

◦ 定制方案：

▪ 采用高压螺杆冷水机（制冷量 1000-5000kW），为高炉冷却壁和风口供水，水温控制在 30±1℃，控温精度 ±1℃；

▪ 冷却水路采用分区独立设计（炉缸 / 炉腹 / 炉身），流量稳定性 ±2%，确保各区域温差≤5℃；

▪ 与高炉风量联动（5000-15000m³/min），高风量大负荷时增加 30% 冷却水量，炉衬温度控制在≤200℃。

1. 热风炉冷却系统

◦ 核心挑战：热风炉（风温 1200-1300℃）的燃烧室和蓄热室需冷却，温度过高会导致炉壳变形（热风温度下降 50℃）。

◦ 定制方案：

▪ 采用高效冷水机（制冷量 500-2000kW），为热风炉炉壳和阀组供水，水温控制在 25±1℃；

▪ 冷却系统配备温度补偿装置，应对热风炉周期性燃烧 - 送风的温度波动，温差控制≤3℃；

▪ 与热风温度联动，风温超 1250℃时自动增强冷却，确保炉壳温度≤150℃，延长耐火材料寿命。

（二）炼钢工段：转炉与连铸冷却

1. 转炉冷却系统

◦ 需求：转炉（出钢温度 1600-1700℃）的炉口、耳轴和氧枪需冷却，温度过高会导致氧枪粘钢（使用寿命缩短 50%）。

◦ 方案：

▪ 采用防腐型冷水机（双相不锈钢换热器），制冷量 800-3000kW，为氧枪和炉体水套供水，水温控制 ±1℃；

▪ 氧枪冷却采用高压水（压力 10-15MPa）+ 内冷通道设计，换热效率提升 40%，枪体温度≤80℃；

▪ 与吹氧强度联动（3-5m³/min・t），高供氧时增加 20% 冷却流量，防止氧枪烧损。

1. 连铸结晶器冷却系统

◦ 需求：连铸结晶器需控制冷却速率 10-20℃/s，确保铸坯形成均匀坯壳（厚度≥10mm），冷却不足会导致拉漏事故。

◦ 方案：

▪ 采用精密冷水机（制冷量 1000-4000kW），为结晶器水套供水，水温控制在 25±0.5℃，流量稳定性 ±1%；

▪ 冷却系统分三段控制（弯月面区 / 结晶区 / 足辊区），通过比例阀调节水量，坯壳厚度偏差≤1mm；

▪ 与拉坯速度联动（0.8-2.0m/min），高速拉坯时增加 30% 冷却水量，结晶器铜板温度控制在≤150℃。

（三）轧钢工段：热轧机与冷轧机冷却

1. 热轧机冷却系统

某热轧厂采用该方案后，板形不良率从 8% 降至 2%，轧辊换辊周期延长 50%。

◦ 核心挑战：热轧机工作辊（温度 300-500℃）需快速冷却，温度过高会导致辊型异常（板形合格率下降 10%）。

◦ 定制方案：

▪ 采用大型螺杆冷水机（制冷量 2000-8000kW），为轧辊喷淋和轴承座供水，水温控制在 20±1℃；

▪ 冷却系统采用 “辊内通水 + 外部喷淋” 复合设计，辊面温差≤3℃，板形精度提升至≤0.5mm/m；

▪ 与轧制规格联动（厚度 2-20mm），薄规格轧制时增强冷却（水量增加 20%），确保轧辊热凸度稳定。

1. 冷轧机冷却系统

◦ 需求：冷轧机（轧制力 1000-3000kN）的轧辊和液压系统需冷却，温度过高会导致乳化液变质（轧制缺陷率上升 5%）。

◦ 方案：

▪ 采用水冷式冷水机（制冷量 500-2000kW），为轧辊冷却套和液压油冷却器供水，水温控制精度 ±1℃；

▪ 冷却系统配备高效油 - 水换热器，液压油温度控制在 40-50℃，黏度稳定性 ±5%；

▪ 与轧制速度联动（500-1500m/min），高速轧制时增加 15% 冷却流量，维持最佳轧制温度。

三、运行管理与维护策略

（一）防腐蚀与防堵塞管理

1. 材质选择与防护

◦ 炼铁区：与高炉煤气接触的部件采用耐候钢（Q355NH），表面喷涂铝锌合金涂层，耐蚀性提升 3 倍；

◦ 轧钢区：与铁鳞接触的管路采用双相不锈钢（2205），抗点蚀当量 PREN≥35，年腐蚀速率≤0.02mm；

◦ 密封系统：选用耐高温氟橡胶（FKM）和金属波纹管密封，耐受高温水汽和机械磨损。

1. 系统清洁与过滤

◦ 多级过滤：主回路安装自清洁过滤器（精度 150μm）+ 磁性分离器，轧机前加装铁鳞拦截器；

◦ 定期冲洗：每周用高压水反向冲洗换热器（压力 20-25MPa），每月用酸洗溶液（5% 盐酸 + 缓蚀剂）循环清洗；

◦ 水质处理：采用软化水（硬度≤50mg/L），添加阻垢剂和缓蚀剂，每季度检测管路结垢厚度（≤0.5mm）。

某钢铁企业通过精细化管理，冷却系统堵塞故障率下降 75%，换热器换热效率保持率提升至 90%。

（二）能效优化与智能运行

1. 负荷动态调节

◦ 变频控制：根据冶炼负荷、轧钢产量自动调整压缩机转速（30-60Hz），部分负荷时节能 30%-40%；

◦ 余热回收：利用高炉煤气、转炉烟气和轧钢余热发电（年发电量≥1 亿度），满足厂区 30% 用电需求；

◦ 某钢铁集团应用后，冷水机年耗电量下降 800 万度，折合减少碳排放 5200 吨。

1. 工艺联动策略

◦ 智能群控：多台冷水机并联运行时，按总冷量需求智能启停（如 10 台机组实现 10%-100% 负荷调节）；

◦ 生产计划联动：通过 MES 系统获取轧制计划，提前 4 小时调整冷却参数，适应钢种切换；

◦ 数据监控：实时采集各环节温度、压力、能耗数据，生成吨钢能耗报告，优化冷却参数。

（三）可靠性保障与应急处理

1. 预防性维护计划

◦ 日常检查：每日记录进出水温度、压力、流量（偏差≤5%），检查过滤器压差和设备振动（≤0.1mm/s）；

◦ 定期保养：每运行 3000 小时更换过滤器滤芯和冷冻油，每 6000 小时检测换热器腐蚀和结垢情况；

◦ 季节维护：夏季前清洗冷凝器（提高散热效率 20%），冬季前检查防冻液浓度（冰点≤-25℃）。

1. 应急处理预案

◦ 冷却中断：立即启动备用冷水机（切换时间≤10 秒），高炉降低风量至 50%，连铸机降低拉速至 0.5m/min；

◦ 管路堵塞：启用备用过滤回路，采用高压水反冲洗堵塞管路，严重时切换备用水路；

◦ 停电故障：启用自备电站（确保 3 分钟内供电），优先保障高炉、转炉和连铸冷却系统运行。

四、典型案例：大型钢铁厂冷却系统设计

（一）项目背景

某大型钢铁企业（年产铁水 1000 万吨、钢材 1200 万吨）需建设综合冷却系统，服务于 5 座高炉、10 座转炉、20 条轧钢生产线及辅助设备，要求系统总制冷量 50000kW，控温精度 ±1℃，符合钢铁行业能效标准。

（二）系统配置

1. 冷却架构

◦ 炼铁区：15 台 3000kW 高压冷水机（12 用 3 备），为高炉和热风炉冷却，控温精度 ±1℃；

◦ 炼钢区：20 台 2000kW 防腐冷水机，服务转炉和连铸机，总换热量 30000kW；

◦ 轧钢区：12 台 4000kW 高效冷水机，为热轧机和冷轧机冷却，总循环水量 20000m³/h。

1. 安全与节能设计

◦ 全系统采用防腐蚀防堵塞设计（耐候钢 / 双相不锈钢 + 多级过滤），适应钢铁高温多尘环境；

◦ 安装智能能源管理平台，实现余热发电、变频调节和远程监控，综合节能率≥35%；

◦ 关键设备采用 2N 冗余设计，配备应急电源和泄漏检测系统，确保生产连续和设备安全。

（三）运行效果

• 产品品质：铸坯裂纹率从 3% 降至 0.5%，热轧板形合格率提升至 98%，钢材力学性能达标率 100%；

• 生产效率：高炉休风率从 2% 降至 0.5%，轧机有效作业率从 85% 提升至 97%，吨钢轧制时间缩短 15%；

• 成本效益：单位钢材冷却能耗降至 40kWh / 吨，年节约电费 3000 万元，投资回收期 3 年。

黑色金属冶炼行业的冷水机应用，是 “传统钢铁工艺” 与 “现代温控技术” 的深度融合，它不仅能保障钢铁产品的高品质、设备的长寿命和生产的连续性，更能通过精准控温和余热回收实现节能降碳。随着钢铁行业向绿色化、智能化发展（如短流程炼钢、智能轧钢），冷水机将向 “更高精度控温（±0.5℃）、全流程防铁鳞污染、零排放冷却” 方向发展。选择专业的钢铁冷却冷水机，是实现钢铁行业高效、低碳、稳定生产的关键支撑。