10吨熔铝保温炉的设计(毕业论文).doc

10t熔铝保温炉的设计摘要：本文对10t熔铝保温炉进行了设计，熔体温度680780，额定容量10t炉，炉型为固定式反射炉，用天然气作为燃料，热值为35421kjm3，炉膛最高温度1050，液体升温速度为30h。设计主要结果如下：炉子的炉膛尺寸为：长3132mm,宽2913mm，高507mm；炉子的炉体尺寸为：长5509mm，宽5203mm，高3160mm。炉子耐火材料选择如下：炉底耐火材料采用三层结构，内层选用高铝砖，中间层选用浇注料，外层选用轻质保温砖；炉壁耐火材料选择如下：内层跟铝液接触部分采用高铝砖，外层采用浇注料；上部不跟铝液接触部分内层采用耐火粘土砖，外层采用轻质保温砖再加一层硅钙板。炉顶耐火材料采用耐火粘土砖外加一层轻质保温砖。炉子热负荷计算结果如下：炉子总热量消耗为2.43106kj，烟气带走的热量为9.87105kj，炉底热损失为1.9105kj，炉壁热损失为119515kj，炉顶散热损失为98626kj。根据炉子的热量损失，选用两个高速调温烧嘴，燃料为天然气。同时对炉门形状以及升降系统进行了设计；通过对炉子的整体受力分析，选用了合适的外部型钢。对排烟系统，预热器进行了选用。使用autocad软件绘制了10t保温炉总图，保温炉钢结构总图，炉门总图。关键词： 保温炉；热负荷；耐火材料；烧嘴the design of 10t heat holding furnaceabstract：this paper designs 10t melting heat holding preservation furnace, the melting temperature is 680 to 780, nominal capacity is 10t/furnace, the furnace type is stationary reverberatory furnace, using natural gas as fuel, the calorific value is 35421kjm3 , the furnace high temperature is 1050，the liquid heating rate is 30h. design is the main part of the furnace in molten pool size the length is 3132mm, the breadth is 2913mm, the height is 507mm, the whole size of the furnace isthe length is 5509mm, the breadth is 5203mm, the height is 3160mm. select of the refractory materials is: refractory materials of furnace bottom is three layers, the inner layer uses alumina bricks; the middle layer uses castable; the external layer uses lightweight insulation brick; select of the furnace wall the refractory materials is: the inner layer with a contact portion of the liquid aluminum uses high alumina bricks; the outer layer uses castable; the upper part is not in contact with liquid aluminum inner refractory clay brick; the outer layer use lightweight insulation brick and plus a layer of calcium silicate board. the furnace heat load calculation and checking, consumption of total calories for the stove 2.43 106kj, 9.87 105kj flue to take away the heat, furnace bottom heat loss of 1.9 105kj furnace wall heat loss 119515kj, roof heat loss 98626kj . according to the stoves heat loss, the choice of two high-speed thermostat burner, the fuel gas. the same time, designing the door shape and lift system; global stress analysis of the furnace, the choice of a suitable external steel. smoke extraction system, preheater choice. use autocad software to draw a 10t holding furnace diagram, map, holding furnace steel door total. key words: heat holding furnace; heat load; refractory; burner目录1前言11.1先进保温炉简述21.1.1 炉体结构21.1.2感应器31.1.3 漏炉报警装置31.1.4冷却系统41.2保温炉的主要组成部分及作用41.2.1炉体41.2.2燃烧系统51.2.3 排烟系统51.2.4炉子的外部钢结构51.2.5预热器61.2.6炉子的控制系统61.2.7炉门的设计71.3 设计的主要内容71.3.1 炉子尺寸的确定71.3.2 炉衬材料的选用71.3.3 炉子热负荷计算71.3.4 炉子烧嘴的选用81.3.5 炉门升降系统设计81.3.6 炉体外部结构的设计82 设计的要求及目的92.1 厂方要求92.2 设计目标93 设计分析计算103.1 熔铝保温炉炉膛尺寸计算103.2 砌体设计103.2.1 炉底耐火材料133.2.2 炉壁耐火材料133.2.3 炉顶耐火材料154.炉子部件选择234.1烧嘴的选择235.烟囱的设计275.1 排烟方式275.1.1 机械排烟275.1.2 烟囱的尺寸276 炉门烟罩的设计297 炉门升降系统的设计307.1 炉门大小的设计307.2炉门升降系统设计327.2.1 钢材重量的计算328 炉体外部钢结构的设计348.1 炉体钢板的选用348.2 外部型钢的选择348.2.1 底部型钢的选择348.2.2 墙壁型钢的选择358.2.3 炉顶拉杆的确定359 预热器369.1 预热器的分类选型369.2 预热器的工作原理3610 熔铝保温炉烟尘的治理3711结论38致谢39参考文献40附录一:总图41附录二:钢结构总图42附录三:炉门总图4340 10t熔铝保温炉的设计 1前言 铝作为金属再生资源之一，在国民经济中有着举足重轻的地位。自八十年代以来，我国冶金技术不断发展。在消化引进国外先进冶金技术上, 在金属熔炼过程中使用了点火保温炉，感应保温炉，电气熔铝保温炉等多种形式的保温炉，并对保温炉结构进行了较大改进。使国内钢铁企业烧结质量不断提高,能耗不断降低。目前，国内外较先进的保温炉，所使用煤气热值都较高，焦炉煤气占相当大的比例。使保温质量差，能耗高。图1.1为泰州职业技术学院机电工程系研制电气熔铝保温炉的炉体总体结构设计1。1- 旋臂 2- 保温盖 3- 熔液控制热电偶 4- 压盖 5- 炉盖 6- 坩锅 7- 电热带 8- 轻质保温砖 9- 炉底保温层 10- 耐火柱 11- 电线接口保护盖 12- 超温热电偶 13- 漏汤出口 14- 硅酸铝纤维毡15- 支座 16- 炉盖固定钩 17- 起重吊耳图1.1 保温炉图1.1为300kg电气熔铝保温炉的炉体总装图。壳体采用厚8mm的钢板焊成, 炉身高980mm,外径为1320mm,上下内表面各加焊一根宽100mm的箍，以增强其刚度。炉底外焊有80mm高的槽钢框架构成炉脚，既可增强炉底的刚度，又能减少炉底向地面的传热。炉盖厚120mm，用固定钩螺栓与炉身相连。炉身四周焊有三只起重吊耳，以便起吊运输。炉身上侧焊有支座，支座中的转轴与旋臂相连。保温盖挂在旋臂下，保温盖由5mm的钢板焊成，盖内装满硅酸铝纤维毡并用螺栓和垫圈固定。熔铝时将保温盖置于炉盖上的开口处，舀取熔液时通过把手和杠杆机构将其与旋臂一起转开。炉侧电线接口保护盖由厚2mm的钢板与钢丝网焊成, 电源线由此引入与10mm的不锈钢接线柱相连, 每根接线柱分别利用陶瓷管穿入炉壳与电热带相连。炉侧距底面100mm处开有140 mm100mm的斜向漏液出口, 可清除意外漏液，正常使用时用保温砖堵住，并用螺栓及盖板封好。铝熔液温度控制在760左右，膛温度控制在900左右。由于舀熔液时坩锅处于敞开状态,因而由幅射和对流引起的换热损失较大，加上熔炉壳体表面的换热损失，该炉热效率约为60%左右,确定炉功率为40 kw。而保温材料及保温层厚度则根据900的炉膛温度,并按炉壳表面温度低于60的要求设计。其中炉墙耐火保温层分为二层,内层由厚113mm的rqn-0.8轻质耐火砖8砌成1050mm970mm的圆筒，外层由密度为160kg/m3的普通硅酸铝纤维毡充填在园筒与炉壳之间。耐火砖圆筒内安放了3组6层耐热钢钩，钩上挂有三根绕成u形的电热带,电热带材料选用0cr25al5,规格为1.5mm20mm。按单位表面积允许功率w为20kw/m2计算，每根电热带长15.5m。石墨坩锅bx401放置在炉底中央320mm 300mm的耐火柱上。耐火柱由重质高铝耐火材料烧成, 其密度=2300kg/m3,下垫10mm厚的硅酸铝纤维毡。炉盖内装满硅酸铝纤维毡。压盖中间开有580mm 的孔，用螺栓固定在炉盖上。压盖利用硅酸铝纤维毡既能将坩锅压稳，又能防止熔液溅至炉膛。熔液控制热电偶置于压盖上方,其反馈信号是控制加热电功率的主信号。炉底保温层厚230mm, 由二层rqn-0.6轻质耐火粘土砖交错砌成。1.1 先进保温炉简述保温炉的功能是对上炉熔化后的铝水沉渣镇静作用，来提高铝水的纯度，同时加热至铸锭温度为下步铸锭准备。无心感应炉的基本原理可以用电磁感应定律和焦耳-楞次定律来描述5。根据无心炉的基本结构可知，感应器产生的磁通除通过炉料金属外，仍有部分磁通在炉体外闭合，若炉壳是一个闭合环路，则势必在该环路内产生感应电流而发热，因而国内无心感应炉通常都将炉壳做成两个半圆，使感应电流不成环路而避免感应发热。然而，在交变磁场中反复磁化产生的磁滞损耗也是感应加热的效果之一， 因而国内1 t以下中频感应炉通常都用铝合金做外壳，避免磁滞损耗发热。设计利用磁轭的磁屏蔽作用及短路环的磁场压缩作用，使得保温炉的外壳可以设计成圆筒形封闭式钢壳结构，适应了铸造生产的恶劣环境, 大大加强了炉子的刚性。使用证明，该装置十分有效地解决了封闭式钢壳及炉盖的感应发热问题，电炉通电2 h 后, 在辐射热尚未到来之时, 炉壳及炉盖的温度仍为室温状态。1.1.1 炉体结构炉体由炉壳、炉盖、感应器、炉衬、磁轭及紧固装置、倾炉机构等组成。感应器的上下端有用不锈钢材料制作的冷却管，用以冷却炉衬，防止炉衬温度梯度的突变。不锈钢冷却管不成闭路，无涡流。感应器及不锈钢环用环氧树脂电木柱组装成一个圆筒形整体。为了尽量减少冷却环部分感应的匝间电压，冷却环全部采用一圈多匝的形式，其水路用夹布胶管串通。在感应器的圆周上均匀分布磁轭, 磁轭设计成仿形截面，即与感应器压贴部分按照感应器外径的弧度造出，便于与感应器紧密压贴，减少气隙，对提高磁屏蔽有一定好处，且压贴面积增大，感应器装置更加牢固。磁轭通过不锈钢螺丝与炉壳固定。感应器的轴向固定利用钢板圆环压紧磁轭顶部，通过不锈钢螺丝拉杆螺栓与炉底板固定在一起，因而，感应器的轴向和径向的紧固都利用炉壳作支承。封闭式钢壳足以保证感应器及其炉衬的钢性，为了进一步屏蔽磁场，最大限度避免炉壳发热，在感应器的上下端均设置了短路环。炉体倾转机构及炉盖开闭采用液压驱动，保证了动作的平稳性。1.1.2感应器并联感应加热功率决定于感应器的电压及槽路等效阻抗，当感应器电压一定时，等效阻抗越小，功率越大，在槽路结构确定之后，等效阻抗决定于炉料的多少。在通常的感应器中，当炉料为一半容量的情况下，炉子功率为额定值的50% 左右，当金属液再少的情况下，加热的功率就更少了。为了在小留量下获得大功率, 设计的感应器为多组并联式, 即使在小留量情况下加热功率仍可达到较大值, 较好地满足生产工艺要求, 提高了劳动生产率。(1)感应器内径d1感应器内径d1等于坩埚内径d加上两边坩埚壁厚，坩埚厚度与炉子容量有关，确定时，考虑了两个因素:一是尽量减少炉子的无功损耗,越大, 无功损耗越大。二是坩埚必须具有足够的机械强度和寿命, 显然越大越好。(2)感应器高度h1感应器高度h1可参照熔体高度h确定,其目的是使金属液面在工作状态相对平缓, 没明显的驼峰。电炉工作时，由于电磁力所形成的搅拌效应，在不同的工作频率下，金属液表面形成一定高度的驼峰，频率越低，驼峰越高。1.1.3 漏炉报警装置炉衬由于受到金属液的连续冲刷和腐蚀,坩埚壁便变得越来越薄, 不同的捣制工艺, 不同的炉衬材料, 其使用寿命也不同。坩埚壁变薄后, 会影响炉子的电气参数, 反映在炉料直径增大, 槽路阻抗减少, 功率增加。对于大容量无心炉, 装置漏炉报警是十分必要的, 一方面可以预知炉衬的腐蚀程度, 另一方面可及时警觉漏炉,及时采取措施不至于毁坏感应器和炉壳。本系统报警电极片用0.35 mm 不锈钢板剪折而成,用粘结剂粘贴在耐火胶泥层上, 外面再捣制炉衬。该电路为直流接触式报警电路, 可以接报警电极, 当炉衬变薄绝缘电阻减少时, 可以从电流表中感知漏电流。当炉衬有局部穿孔导致电极短路时，晶闸管scr 导通, j1 吸合，电铃d 和灯光信号dx动作，发出报警信号，此时电流表指示值为漏炉电流的最大值。由于电极片感知的是直流通道，因此lc组成的形低通滤波器的截止频率设计为50hz或更低, 特征阻抗尽量低(但要同时考虑电容器的容量避免太大),以阻止电炉工作时感应电势对报警电路的干扰。1.1.4冷却系统中频电源约有50%的故障是由于冷却系统不良造成的,因而国外一般采用不锈钢冷却塔作闭路水循环,以确保水源清洁,并利用稳定元素作为电极吸收因闭路循环水经电离后产生的离子。根据国内中频电源运行的情况了解到,由于冷却水多取自水池水或直接抽取河水、地下水,运行时造成杂质沉降于冷却管道,或硬水中矿物积聚,造成冷却不良而加速了晶闸管的损坏,感应器换热不良使得温度升高,支柱碳化反过来使感应器变形等。系统采用了电源部分和炉体部分分路冷却, 即电源部分和炉体部分各一个冷却回路,两回路之间用热交换器隔离换热,总热量由外置冷却塔冷却后流入封闭式水池,在一定范围内保证水源的清洁,达到了较好的冷却效果。本次炉子设计采用苏州啸波再生金属设备成套有限公司常规设计的铝水保温精炼炉，其额定容量为10吨/炉。提温和保温是通过安装在侧墙的二个燃油高速调温烧嘴供热，炉子使用温度最高1050，预定为800850，铝水温度为740760。炉子装置：该炉配有自动点火、自动调温的燃烧系统及炉压自动控制系统，在废气排烟道上设置了喷流辐射空气换热器（空气预热温度为250）。或将废气引出供铝屑烘干回转窑作热源使用。1.2 保温炉的主要组成部分及作用1.2.1炉体炉体由炉壳、炉盖、感应器、炉衬、磁轭及紧固装置、倾炉机构等组成。感应器的上下端有用不锈钢材料制作的冷却管，用以冷却炉衬，防止炉衬温度梯度的突变。不锈钢冷却管不成闭路，无涡流。感应器及不锈钢环用环氧树脂装成一个圆筒形整体。为了尽量减少冷却环部分感应的匝间电压，冷却环全部采用一圈多匝的形式，其水路用夹布胶管串通。在感应器的圆周上均匀分布磁轭, 磁轭设计成仿形截面，即与感应器压贴部分按照感应器外径的弧度造出，便于与感应器紧密压贴，减少气隙，对提高磁屏蔽有一定好处，且压贴面积增大，感应器装置更加牢固。磁轭通过不锈钢螺丝与炉壳固定。感应器的轴向固定利用钢板圆环压紧磁轭顶部，通过不锈钢螺丝拉杆螺栓与炉底板固定在一起，因而，感应器的轴向和径向的紧固都利用炉壳作支承。封闭式钢壳足以保证感应器及其炉衬的钢性，为了进一步屏蔽磁场，最大限度避免炉壳发热，在感应器的上下端均设置了短路环。炉体倾转机构及炉盖开闭采用液压驱动，保证了动作的平稳性。1.2.2燃烧系统烧嘴的类型有，按燃料的种类分为煤气烧嘴，油嘴和煤粉烧嘴；按烧嘴的喷射速度分，可以分为高速烧嘴，中速烧嘴和低速烧嘴。按照供给的燃料的压力又可以将烧嘴分为高压烧嘴，中压烧嘴，低压烧嘴，他们与高速，中速，低速烧嘴又是有区别的。烧油的烧嘴主要有烧重油和柴油的，烧油的烧嘴成本过高，采用的较少，而且要考虑要怎么样将油最好的雾化，混匀，比较麻烦；煤粉烧嘴现在更是用的较少；目前大多数厂家使用的主要是烧气烧嘴，在烧气烧嘴中主要有：反射炉煤气烧嘴、城市煤气烧嘴、天然气烧嘴、液化气烧嘴等，它们各自都有不同的特点。反射炉煤气烧嘴的热值很低，只有5952kj7440kj左右，气体中的主要燃烧成分为co，很容易造成事故；城市煤气烧嘴的热值在16864kj/m3，气体的主要成分为co和焦炉煤气，也是比较危险的，且热值也不高；天然气烧嘴的热值高达了41664kcal/m3，气体成分为ch4，天然气的热值高，价格较低，是理想的燃料，所以现在多采用天燃气烧嘴。1.2.3 排烟系统排烟方式可分为机械排烟与自然排烟两种，当排烟阻力小于500600pa时，一般均采用自然排烟，及选用固定式烟囱。烟囱分为砖烟囱、钢筋混泥土烟囱和钢烟囱三种。烟囱直径小于或等于0.7m时，采用钢板焊制的钢烟囱。进烟囱的烟气温度低于500时，烟囱内壁不衬耐火材料；高于500时需衬耐火材料。圆形砖烟囱的最小出口直径为0.7m。当排烟的阻力较大时，例如大于500600pa时，采用自然排烟难以克服排烟阻力，此时采用机械排烟。机械排烟分为引风机排烟和喷射排烟两类。前者排烟温度根据引风机耐高温性能受限制，一般引风机的温度不高于250，因而需向烟道内混入冷空气将烟气温度降低。喷射排烟可不受排烟温度的限制，虽效率较低，但应用方便。自身预热烧嘴、干法除尘系统、井式炉排烟均有采用喷射排烟方式的。1.2.4炉子的外部钢结构在炉子的砖体砌筑完毕之后，要在砖体的外面采用钢材来加固炉子，固定炉子，钢材的型号选用要根据其具体的作用来定，要保证能够承受炉子的应力，钢材不会断裂，变形。炉体外部的钢材部分主要可以分为炉体紧贴砖体的钢板，钢板外的型钢，以及炉顶上的拉杆。1.2.5预热器预热器按预热介质的流动形式可分为顺流预热器、逆流预热器和交错预热器三种。顺流式的优点是预热器的炉壁温度比较高，因为烟气温度最高处的被预热介质温度最低，被预热介质温度升高后烟气温度已经下降。但顺流式预热的热工性能差，在预热出口处烟气与被预热介质的温差较小，因而该处的热交换面的传热效果很小。另外由于进出口烟气和被预热介质之间的温差大，对器壁容易温度应力，选用材时要注意。逆流式预热器正好和顺流式相反，进口端的器壁温度高，出口端的器壁温度低，因此可以采用两种性能不同的材料。这种预热器传热面的利用较好，预热温度也可以较高。当烟气温度较高而要求预热温度不高时，通常采用顺流式，烟气温度较低或要求预热温度较高时则采用逆流式。1.2.6炉子的控制系统熔铝保温炉属于大功率用电设备, 其温度控制若仅采用全通、全断的两态控制方法, 则难以保证熔液温度控制在(7602)的恒温要求。因而在该炉电气控制系统中，采用三相电源经nf3p100a 无熔丝开关引出后，再经sc-80电磁接触器及可控硅供电的三相电热负载星形连接的三态恒温控制电路。把膛温控制热电偶3反馈的温度信号经智能型热电偶温度表输出的温差电压vt作为温差信号,以改变频率来控制电瓶适应汤温可能出现的变化，并以补偿的方式补充或减少供电热功率。智能型热电偶温度表输出的温差电压vt输入传感电压比较电路，与门限电平进行比较，比较输出电瓶送到控制电平电路的输入端, 控制电瓶电路在脉冲信号的作用下产生控制电平，控制电瓶经输出电路放大后驱动光耦隔离电路去控制可控硅门极的通断，实现三态恒温控制。可变门限电路受温差电压vt 、控制电平电路的输出和跟踪范围调整电路的控制, 产生传感电压比较器的可变门限电压。当汤温t远低于设定温度t0时(如起动阶段)，电路输出全通电瓶。三相可控硅全通，满功率加热。随着熔液温度升高, 当t0- t10时, 温差电压vt开始下降,电路输出间断电瓶，可控硅间断通电，随着vt 的下降，间断控制电瓶频率也下降, 可控硅平均导通电流减少，使加热电功率逐步减少。当vt低于最低极限电压或汤温t上升过快时，电路输出断电瓶,可控硅关断，电炉电热功率为零。在恒温状态下, 即t= t0或t =2时, 智能型温度表输出相对稳定的温差电压vt，电路输出间断控制电瓶，可控硅间断导通，使电炉平均供电功率与热耗散功率达到平衡, 以维持膛温恒定。电炉加料或出料时会使膛温降低或升高, 这时候vt会自动升高或降低。电路在vt的变化下, 输出频率升高或降低的间断控制电平，使可控硅平均导通电流增大或缩小，以增加或减少供电功率而适应膛温的波动。智能型热电偶温度表在不高于600负载条件下输出420 ma电流误差信号。转换为温差电压vt时约为2.412v。温控板在vt8.5v时开始输出恒高全通电瓶，38.5v之间输出间断控制电瓶, 其温控信号最大变化范围为125hz。恒温时vt 变化范围为4.56v，温控信号变频区间为712.5hz。超温控制热电偶12在炉膛温度超过900时,其反馈信号经另一只智能型热电偶温度表输出控制信号并通过电磁接触器关断电源，对电热带进行超温保护。1.2.7炉门的设计本次熔铝保温炉的炉口大小长为1140mm，顶弧高为587mm，设计的炉门要能完全地覆盖住炉口，并且具有一定的气密性就行了。因此，取炉门长为1490mm，左右各超出炉门口175mm，上下高度各超出炉口高度150mm左右，炉门不宜过大，否则不仅浪费材料而且不好开启。制作炉门首先要铺设一层槽钢，槽钢要立焊，内部空间用来填充浇注料，提高炉门的稳定性。1.3 设计的主要内容1.3.1 炉子尺寸的确定根据炉子的吨位，与实际结合，计算出炉子的各部件的尺寸，并且用图纸形式表示出来。1.3.2 炉衬材料的选用（1）炉底耐火材料的选用（2）炉壁耐火材料的选用（3）炉顶耐火材料的选用1.3.3 炉子热负荷计算（1）10t铝液每小时吸热量（2）炉子热损失计算：包括烟气带走的热量，炉底、炉壁、炉顶的热损失1.3.4 炉子烧嘴的选用根据升温要求及炉子的热损失选用合适的烧嘴。1.3.5 炉门升降系统设计（1）炉门的大小，要求能完全地覆盖住炉口。（2）升降系统根据炉门总重量合理设计1.3.6 炉体外部结构的设计（1）炉体钢板的选用（2）外部型钢的选用2 设计的要求及目的2.1 厂方要求（1）熔铝保温炉的最大容量10t+10%（2）燃料种类：天然气（3）铝液温度：680780；（4）带液体升温速度：30/h（5）额定容量：10t（6）炉门的升降采用配重加气缸拉升的方式2.2 设计目标（1）确定熔池的深度，通常情况下，为了避免铝液上下的温差过大，要求炉子的熔池深度在600mm左右，以深度为基准，按照手册及工程设计人员的经验，确定炉子的长、宽。（2）根据炉的是升温速度，通过计算炉子的热负荷，合理选用炉子的烧嘴型号，并确定其在炉子上的位置，使热能得到更大化的利用。（3）设计炉子的炉衬材料，尽可能的降低炉膛产生的热损失，且使炉膛的外表面温度达到国家的有关规定。（4）为炉子的外表面选用钢板，要经济，耐用。（5）为炉底设计钢结构，要求能承载炉子的重量和抵御外部的作用力。（6）设计炉子四周的横撑、支柱，确定在炉子上的焊接位置，且不影响其它部件的正常工作，要求用最少的钢材，产生最大的效果，并且美观。（7）设计炉顶的钢结构。（8）设计炉门的大小，要求便于人工操作，热散损失小，还要根据炉门大小设计升降装置，选择合适的电机。（9）在炉门上方安装烟罩，便于溢出烟气，保护环境。3 设计分析计算3.1 熔铝保温炉炉膛尺寸计算炉子的尺寸计算一般都是根据炉子的载荷从炉膛开始计算的，所以也应该首先计算这台炉子的炉膛尺寸。本次设计的炉子最大容量是10t。在保温炉的炉膛设计中炉膛的深度一般都在600左右，因为当炉膛的深度太深时，如达到1000时，铝液上下的温差就会达到150，这会使铝液的质量大受影响，所以一般熔池的深度会比较浅；但太浅的话，又会是熔液的表面积太大，散热和受热不好，也会加大炉子的面积，制造成本增加。所以取熔池深度为522。根据苏州啸波再生金属设备成套有限公司的经验数据，炉子的边深比一般为1：0.20左右，同时还考虑炉子的边长问题，因为炉子的内衬是砖砌的，要尽量的能够凑整块砖数，避免切割。还要使炉子的长宽尽量的协调，不应让炉子过宽，过窄。每块砖的尺寸为23011365，因为有两毫米的砖缝，所以炉子炉顶长度应为232的整数倍，当取2320时，2320：5071:0.21，这样边深比较小，再加4块砖的长度得到3132，得3132:5071：0.16，且这时，根据每立方米铝重量为2.35t，计算出炉膛的宽度为2913，这样就得到了炉膛的大小，但这样还不能画出炉膛来。接下来要考虑炉膛中的斜坡大小，首先明确斜坡的作用主要是便于炉口的扒渣，还要使铝液不会外溢，造成损失。炉子的斜坡与水平方向的夹角一般要小于304，且越小越容易扒渣，考虑到炉子为10t，所以取26。在炉底面上要设置一定的斜度，一般是1000:20，主要是便于铝液流出出铝水口。炉顶高度的计算因为要首先将炉子整体尺寸算出，所以要在炉子的耐火材料层全部定下来后再计算。3.2 砌体设计砌体设计的主要内容如下5:(1)正确选择耐火材料与绝热材料；(2)正确组成炉墙、炉底与炉顶结构；(3)确定砌体的系列尺寸；(4)按照炉子的热工要求正确设计燃烧室、排烟道及砖体的其它布局结构；(5)合理布置测温孔、窥视孔、排烟孔烧嘴砖及膨胀缝的位置与数量；(6)选择适宜的砌筑泥浆与各种泥料，并分项计算各种耐火材料与建筑材料的用量等。表3.1 各类砌体的砖缝厚度规定特类砌体不大于0.5类砌体不大于1类砌体不大于2类砌体不大于3类砌体不大于5硅藻土砖砌体允许大于5红砖砌体（内有耐火砖衬）拱顶510炉底和炉墙810表3.2 根据炉子部位和生产操作条件规定的砖缝厚度炉子的部位和操作条件砌体精细程度砖缝厚度炉子的液面带。气体压力超过40kpa的部位（泥浆内没有水玻璃或矾土水泥）。如热温度超过1400的炉顶。跨度超过4000，加热温度超过1300的炉顶类砌体1炉子具有气体压力为1040kpa，铝液温度达到1250的部位。受热温度达1400的主炉顶和大跨度的拱顶类砌体2炉子没有炉渣、液态金属和材料磨损的部位。温度不超过1200而气体压力不超过10kpa的部位类砌体3不遭受炉渣和材料磨损作用的炉底、烟道底和墙类砌体5遭受温度不大于700800的气体预热作用的炉窑和干燥窑的红砖砌体或隔热砌体内部有耐火砖衬的炉子外部的红砖砌体5墙810拱510选择筑炉材料的一般规则如下：(1)材料必须具有能满足工业炉使用要求的技术性能，其各项技术性能指标应符合现行国家标准规定或设计要求。(2)所选材料必须具有良好的施工性能，并能满足施工的技术要求和工程质量要求。(3)所采用的材料必须符合国家有关劳动保护、环境保护的法律、法规和技术规范的规定。根据所要求的施工精细程度，耐火砌体分为若干类，各类砌体的砖缝厚度规定如表3.1所示。 筑炉用火泥，火泥的最大粒径不应大于砖缝的30%，而砖缝大于4时，其最大粒径不应大于1.5。炉子混泥土基础的标高，应符合设计的要求，其误差不得超过mm。一般炉墙的垂直误差不应超过3，全高不应超过15 。基础砖墩的垂直误差每米不应超过3，全高不应超过10 。砌砖表面不应凹凸不平。朝向炉内的炉墙表面局部的不平不应超过5 。根据炉子的部位和生产操作条件拱顶的砖缝厚度以及工业炉砌筑的允许误差分别见表3.2和3.3所示 。表3.3 一般工业筑炉允许误差项次误差名称允许误差mm1垂直误差：（1）墙每米高3全高15（2）基础砖墩每米高6全高102表面平整误差（用2m长靠尺检查，靠体与砌体之间的间隙）（1）墙面5（2）挂砖墙面7（3）拱脚砖下的炉墙上表面5（4）底面53线尺寸误差：（1）矩（或方）形炉膛的长度和宽度10（2）矩（或方）形炉膛的对角线长度差15（3）圆形炉膛内半径误差内半径2m15内半径2m（4）拱和拱顶的跨度（5）烟道的高度和宽度 3.2.1 炉底耐火材料 首先设计炉底的耐火材料，在炉底内层的是一级高铝砖，型号为t7，具体的尺寸为30015065，含al2o375%，在砌砖的时候将砖立起来砌筑，并且要使砖宽的一面对准炉门口，这样砌筑的好处是尽量的减少朝向炉门口的砖缝，减少扒渣时对高铝砖带来的损害，提高砖的寿命。因为砖的长度为300mm，所以就取高铝砖层的厚度为300mm，采用一级高铝砖主要是不会污染铝液。在斜坡上用的是浇注料，因为斜坡的砌筑比较麻烦，采用浇注料一次成型，方便，硬度较高，也不会污染铝液。浇注料用在斜坡和炉门口边上，高度与高铝砖层保持一致，为300mm 。在炉底高铝砖砌筑的时候，要考虑尽量防止铝液的泄露，所以砌筑时砖缝要去1mm，砌筑斜度取1000:20，并且要向一角倾斜，便于铝液流出。在距离四周的垂直墙壁较近的时候采用浇注料进行填充，使炉底密实防止漏液。最重要的是一定要使斜坡高于铝液面100mm来作为安全线。炉底采用高铝砖与浇注料配合使用，降低了渣线对炉底的浸蚀，延长了炉底的使用寿命。并且也比炉底全部采用浇注料降低了成本，具有一定的经济性。在高铝砖外层采用浇注料，这种浇注料是属于外购的浇注料，有多种型号，苏州啸波再生金属设备成套有限公司用的浇注料的型号主要是130,160等。其中130号浇注料含铝量较低，约40%，能承受1300 。160号浇注料的含铝量较高，在60%左右，密度较高，致密，重量较重，能承受1600的高温。在炉底上通常选用浇注料的厚度取100mm，最小不应小于80mm，炉底浇注料的型号主要采用130型号的，因为铝液的温度较低，130型号的就足够了。这也是根据苏州啸波再生金属设备成套有限公司多年的经验来取的，浇注料层的作用主要是起到防漏的作用，浇注料层的铺设要首先采用模具将浇注料成型，还要注意在浇注料的块与块之间要留一定的空隙作为膨胀缝。在以前，采用石棉板，但是石棉板的成分有害，所以现在已基本上不用。也有直接用砖的，但是砖缝是无法避免的，而且铝的流动性也很好，如果砌筑不好的话，很容易造成泄漏，发生事故，所以现在苏州啸波再生金属设备成套有限公司采取这种方法以及一些措施很好的解决了这种问题。在浇注料的外层再用轻质保温砖用来保温，主要降低炉底的散热损失，轻质保温砖层的厚度主要是根据苏州啸波再生金属设备成套有限公司多年的经验与实验得出的，避免过厚或过薄造成的损失和浪费，一般取200mm左右。3.2.2 炉壁耐火材料 炉子四周的墙壁不同于炉底、炉顶。在炉壁上有一小部分是与铝液面接触的，也有一大部分是不与铝液面接触的，为了经济合理设计出炉壁的耐火材料，将炉壁分为两个部分。这样，就要在炉壁的不同位置上采用不同的材料，降低炉子的成本，也使炉子更加好用。首先设计炉壁的内衬材料，在液面的接触部分，为了不污染铝液，继续采用高铝砖，高铝砖砌筑的高度也要高于液面100mm，高铝砖采用t3型号的，尺寸为23011365，计算砖缝后的尺寸为23211665，在砌筑的时候采用横竖砌筑方法，在砌筑好高铝砖后，再在高铝砖的外层放置116mm厚的浇注料，浇注料在这里的作用也是防漏。还要在炉壁下端留有出铝水口的位置，出铝水口砖要提前制作，周围要打浇注料，使炉子的墙壁密实，不会产生泄漏。在炉口的一侧不采用这样的耐火材料，因为在炉底的设计中已经说明过，炉口的部分采用的是22的一个浇注料制作的斜坡，下边用的是保温砖，并且在炉口的部分用的浇注料为160型号的，因为160型号的浇注料含铝量较高，对铝液污染小，还要就是它的耐磨性较好。在炉门口，炉门的开合会产生温度的急变，160型号的浇注料可以满足对温度较大的变化要求。炉壁耐火材料的组成如图3.1所示： 图3.1 耐火材料砌筑炉墙示意图 从上图可以看出，这样砌砖的主要好处是能够有效地防止铝液的泄漏，再加上高铝砖的外层铺设的耐火材料，这样炉子基本上就不会泄漏了，并且由于现在耐火材料的传热较小，这样，在炉衬材料较薄的时候也能达到较好的保温效果。 对于在液面以上的部分来说，因为不接触到铝液，所以所用的耐火材料不需要考虑成分对铝液的污染，我选用的材料是耐火粘土砖，厚度由液面以下的部分决定，取464mm，在耐火粘土砖的外面是厚度116mm的轻质保温砖，之所以取116mm，主要是考虑到砖的尺寸，以便砌筑。116mm是加了砖缝厚度之后的尺寸。最后，为了进一步的减少散热的损失，在最外层再加一层50mm的硅钙板，这样，在较薄的炉衬材料下，又将炉子的散热减少。在炉门口的一侧，有炉门在开合时候的活动，所以要求也不一样，炉门通常情况下比较重，为了减少炉门的变形，要求所用的耐火材料的稳定性要好，不易变形，用130型号的浇注料来做耐火材料，具有较高的稳定性，在高温的状态下不易变形，能够保证炉门在导轨上正常运动。在炉门口下方的地方用于其它炉壁一样的材料。在炉壁的砌筑过程中，要保证炉壁的稳定性，不能在高温下变形，要求在耐火材料之间留有一定的膨胀缝。为了防止不同耐火材料的粘结，要再不同耐火材料浇筑时放置薄膜，这样就避免了层间的粘结，薄膜在高温时会熔化，不会影响耐火材料的性能。在以后炉子要进行修理的时候也方便对各种耐火材料的更换。3.2.3 炉顶耐火材料在工业炉设计中，路定的设计多采用拱顶，熔铝保温炉的设计也不例外，通常情况下拱顶的角度为60，这样做的最大好处是将炉顶的力很好的分向侧面的炉膛，炉顶上采用拉杆将炉子拉住，这样炉子的稳定性就大大提高了。炉顶所用的耐火材料不必考虑是否会污染铝液，考虑它的保温性能就可以了。在炉顶的内部要受到高温的炙烤，在选用的时候考虑材料的耐火性，通常用的耐火材料按外观分类主要有：耐火砖、不定型耐火材料、耐火纤维。考虑到本次设计的炉子容积不是很大，炉顶的面积也补大，用耐火粘土砖砌筑，在以外的炉子设计中，也多采用耐火粘土砖，其方便砌筑，效果也好，如果用浇注料一次成型的话，很可能会因为技术的不成熟而造成事故。耐火粘土砖在高温下的热稳定性好，膨胀率低，热传导率低，并且它的抗氧化、抗还原性很强，能够避免烟气的浸蚀，这些性能足以使其用作炉顶的内衬材料。在粘土砖的外层加一层轻质保温砖进一步降低炉顶的温度，在铺设轻质保温转的时候，考虑到轻质保温转的尺寸，将轻质保温砖的尺寸定为65mm，这样在砌筑的时候就不需要再对砖进行切割了，既节省了材料又方便砌筑。在炉顶砌筑的耐火保温砖的形状是契形的，形状如图3.2所示： 图3.2 契形砖示意图采用这种砖是便于拱形的砌筑。在砌筑的时候采用立起来砌筑的方法。 轻质保温砖的砌筑采用平砌的方法，这样利用轻质保温砖来覆盖原来耐火粘土砖的砖缝，以减少由于砖缝而增加的热损失，降低炉顶的温度。这样整个炉子的砌砖布置就完成了，但是，在路门组合件上也需要加耐火材料，一方面用来保温，还有就是用来降低炉门温度。炉门的浇注料采用的是含锆纤维棉，这种材料膨胀率低，导热随温度的升高而降低，耐磨性好。这样就选定了炉子各部分所用的耐火材料，炉子的砌体图就可以画出来了。3.3 熔铝保温炉热负荷的计算3.3.1 铝液的吸热qm计算金属的吸热计算公式: 6 (3.1)式中，qm铝液的吸热量；c铝液态时的平均比定压热熔c=1.09kj-1k-1(适用于658.61000)q潜金属熔化潜热q熔=4.1868（941）kj-1t铝液所升高的温度， m铝液的质量根据设计要求，设铝液流进温度为660，铝水升温速度为30h，炉子使用温度最高1050，预定为800850，由以上的数据来计算。 =100001.0930+9410000 =972700 kj上式中的金属吸热分为两部分，660的铝液每小时升高30所吸收的热量；金属铝从液态到固态相变过程中需要的热量，称为熔化潜热。以上的计算得出，将10t铝液从660开始按每小时30升温所需要的热量为9.727105 kj。 计算结果：qm=972700 kj3.3.2 炉子热损失计算在计算出金属的耗热量后，由于并不知道炉子每小时的耗热量，则无法计算出炉子的热损失，此时，采取假设法。假设炉子的热效率为40%，也就是说燃料燃烧生产的热量中有40%用于铝液的升温，由此计算出炉子一小时总的热量消耗为： qz=97270040%=2.43106kj式中qz炉子每小时需要的总热量相互比较常用的燃料特性，考虑到环保，燃料决定采用天然气，标准状态下天然气的低发热值为3344038456kjm-3,在设计中取35000 kjm-3。每小时需要的天然气的量为v天，则： v天=2.43106kj35000 kjm-3=70m3每小时需要70m3的天然气，表3.4中表示的是天然气的主要成分以及各自的百分含量。表3.4 天然气的成分种类co2+h2sh2ch4cmhnn2含量/%0.120285870.10.41.24(1)燃料燃烧理论需要的空气量7经验计算公式： (m3/m3) (3.2) 天然气=35000 kjm-3，将其带入公式（3.2）计算得: l0=9.27 m3/m3。(2)燃料燃烧实际需要的空气量 在理想状态下燃料完全燃烧时所必需的最小空气量称为理想空气消耗量；在实际条件下燃料完全燃烧或不完全燃烧所需的空气量为实际空气消耗量。实际空气量与理论空气量之比称为空气系数。 计算公式为： (3.3)将l0=9.27带入公式（3.3）中，得l=1.19.27=10.20式中 空气系数，气体燃料取1.051.1 l实际空气消耗量,m3(3)烟气损失量8在燃料燃烧的过程中会产生大量的高温烟气，这些烟气会带走很大一部分热量，所以烟气热量的损失是炉子热损失中比重最大的，本炉采用的燃料是天然气。同固体燃料、液体燃料相比较，气体燃料燃烧完全且易于控制，容易实现烧嘴的空气、燃料自动比例调节，还可对燃料和空气进行高温预热，从而提高燃烧效能和有效地节约燃料。天然气在气体燃料中又具有高热值，污染少的特点，它被视为最干净的能源之一，这样有利于企业的环保，目前天然气的设施十分完备，便于安装，节约了资金。天然气燃烧后的主要成分见下表3.5：表3.5天然气的主要产物燃料主要产物co2h2o