（材料加工工程专业论文）贯通式加热炉炉壁温度有限元分析及结构优化.pdf

中文摘要 中文摘要 在无缝钢管生产中定减径是重要工序之一，对于中小无缝钢管生产企业，由于 轧后钢管的温度不稳定，而定径温度必须高于6 5 0 7 0 0 ，过低的温度必然造成冷 硬脆性，影响钢管机械性能。但这些企业通常不具备使用步进式再加热炉和张力减 径机的条件，所以生产中迫切需要一种适用于定减径工艺的新型的贯通式连续加热 炉。在轧钢生产中加热炉的能量消耗占生产总能耗的5 0 以上，而降低能耗的有效途 径之一就是设计和使用结构合理的炉衬结构，减少蓄热损失和散热损失，所以对贯 通式加热炉炉衬结构的优化，是一项具有极大经济效益的研究工作。 本课题以太原科技大学轧制工程中心开发的管棒材贯通式连续加热炉为研究对 象，首先根据传热学的相关知识，对该贯通式加热炉的炉壁进行了简化、假设和约 定，确定了初始条件和边界条件，建立了数学模型。再运用a n s y s 分析软件，对贯 通式加热炉炉壁温度梯度进行了热分析，直观地模拟了炉内壁温度的分布。最后根 据模拟出来的结果对单层和多层的炉壁结构进行优化。 通过本课题的研究能够对钢管连续加热的贯通式加热炉进行炉体结构优化，从 而降低能源消耗，为该形式加热炉的设计提供指导，促进其在钢管和棒材生产领域 的推广应用。同时也希望其结果能够用于炉体结构的设计和耐材的选用。 关键词：加热炉；炉壁温度；结构优化；有限元； 贯通式加热炉炉蹙温度有限元分析及结构优化 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h es e a m l e s ss t e e lt u b ep r o d u c t i o n ， s i z i n ga n dr e d u c i n g i so n e i m p o r t a n to fp r o c e s s e s f o rs e a m l e s ss t e e lt u b e sf o rs m a l la n d m e d i u m s i z e d e n t e r p r i s e s ，a sar e s u l to f t h et e m p e r a t u r eo fs t e e la f t e rr o l l i n gi n s t a b i l i t ya n d t h et e m p e r a t u r eo fs i z i n gm u s tb eh i g h e rt h a nt h e6 5 0 - 7 0 0 ，i ft h e t e m p e r a t u r ei st o ol o w , i tw i l li n e v i t a b l yl e a dt oc h i l l e db r i t t l e ，a f f e c tt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t e e l t h e s ee n t e r p r i s e su s u a l l yd on o tc o n d i t i o n st o u s es t e pb ys t e pr e - h e a t i n gf u m a c ea n ds t r e t c hr e d u c i n gm i l l ，s oi np r o d u c t i o n t h e r ei sa nu r g e n tn e e df o ran e w t y p eo fp a s s i n g t y p eh e a t i n gf u m a c ew h i c h c a nb ea p p l i e dt os i z i n ga n dr e d u c i n g i nt h em i l lp r o d u c t i o n ，t h ee n e r g y c o n s u m p t i o no ft h eh e a t i n gf u m a c ea c c o u n t sf o rm o r et h a n50 o f t h et o t a l e n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n da ne f f e c t i v ew a y t or e d u c er e g e n e r a t o rl o s sa n dh e a t l o s si sb yd e s i g n i n ga n du s i n gs t r u c t u r e dl i n i n gs t r u c t u r e ，s ot h eo p t i m i z a t i o n t ot h e l i n i n g s t r u c t u r eo ft h e p a s s i n g t y p eh e a t i n g f u m a c eis a v e r y c o s t e f f e c t i v er e s e a r c h t h es u b j e c to ft h i sp a p e ri st h ep a s s i n g t y p eh e a t i n gf u m a c ed e v e l o p e d b yt h er o l l i n ge n g i n e e r i n gc e n t e ro f t h et a i y u a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y f i r s t l y ，b a s e do nt h er e l e v a n tk n o w l e d g eo f h e a tt r a n s f e rs c i e n c e ， t h i sp a p e rs i m p l i f ya n da s s u m et h ef u m a c ew a l l ，d e t e r m i n et h ei n i t i a l c o n d i t i o n sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，a n de s t a b l i s ham a t h e m a t i c a lm o d e l s e c o n d l y ，w i t ht h eh e l po ft h ea n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，t h ep a p e ra n a l y z e s t h ef u m a c ew a l lt e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，s i m u l a t e sv i s u a l l yt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no ft h ef u m a c ew a l l f i n a l l y ，t h ep a p e ro p t i m i z e st h es i n g l e a n d m u l t i l a y e r e dl i n i n gs t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f t h es i m u l a t i o n t h r o u g ht h es t u d yo ft h es u b je c t ，w eh o p et ob ea b l et oo p t i m i z et h e f u r n a c eb i n d i n go ft h ep a s s i n g t y p eh e a t i n gf u r n a c e ，t h u sr e d u c i n gt h ee n e r g y c o n s u m p t i o na n dp r o v i d i n gg u i d a n c et ot h ef u r n a c ed e s i g n ，a n dp r o m o t et h e p r o d u c t i o no ft h es t e e lt u b ea n dr o d a tt h es a m et i m ew ea ls oh o p et h a tt h e r e s u l t sc a nb eu s e df o rf u r n a c ed e s i g na n dt h es e l e c t i o no fr e f r a c t o r i e s - 贯通式加热炉炉壁温度有限元分析及结构优化 k e yw o r d s ：h e a t i n gf u r n a c e ；f u r n a c ew a l lt e m p e r a t u r e ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ；f i n i t ee l e m e n t ； i v 目录 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 管棒材连续加热工艺简述2 1 1 1 管棒材连续加热工艺工艺特点2 1 1 2 管棒材连续加热炉的类型2 1 2 贯通式连续加热炉3 1 2 1 贯通式连续加热炉结构3 1 2 2 新型贯通式连续加热炉的特点与用途3 1 3 燃烧与加热基础理论5 1 3 1 煤气加热炉的煤气燃烧计算5 1 3 2 钢材加热8 1 4 课题的提出和所研究的内容1 0 1 5 本章小结1 0 第二章贯通式连续加热炉炉壁结构与传热过程分析1 1 2 1 耐火材料种类、特点及性能比较1 1 2 1 1 耐火材料种类与特点及应用1 l 2 1 2 耐火纤维1 2 2 1 3 不定形耐火材料1 2 2 2 炉壁结构1 3 2 3 贯通式连续加热炉炉壁传热过程分析1 3 2 3 1 传热学的基础知识1 3 2 3 2 炉壁传热过程分析1 9 2 4 本章小结2 0 第三章传热过程有限元分析理论基础2 l 3 1 有限元分析方法简介2 1 3 1 1 有限元法发展概况2 l 3 1 2 有限元法的基本思想2 2 3 1 3 有限，己热分析简介2 2 v 贯通式加热炉炉壁温度有限元分析及结构优化 3 2 有限元软件a n s y s 简介2 4 3 2 1a n s y s 软件的发展过程2 4 3 2 2a n s y s 软件功能的介绍2 5 3 3a n s y s 热分析简介2 8 3 3 1 热分析类型2 8 3 3 2 热分析材料的基本属性及边界条件3 0 3 3 3 热载荷3 1 3 4 本章小节3 2 第四章贯通式连续加热炉炉壁传热过程有限元模拟3 3 4 1 有限元模型的建立3 3 4 1 1 问题的描述与模型的简化3 3 4 1 2 单元的选取3 3 4 1 3 网格的划分3 4 4 1 - 4 施加边界载荷3 5 4 2 单层结构炉壁传热过程有限元分析3 5 4 3 多层结构炉壁传热过程有限元分析4 0 4 4 本章小结4 9 第五章炉壁结构优化5 1 5 1 炉衬的热工计算5 1 5 2 不同炉壁结构的蓄热和散热损失的计算5 2 5 2 1 单层炉壁结构的蓄热和散热损失的计算5 2 5 2 2 多层炉壁结构的蓄热和散热损失的计算5 2 5 3 炉壁结构优化与经济性分析5 3 5 3 1 工程应用实例5 4 5 4 本章小结5 8 结论5 9 参考文献6 1 攻读学位期间发表的学术论文与参与项目6 5 致谢6 7 v i 第一章绪论 第一章绪论 目前，随着我国钢铁工业的发展，钢管和棒材生产也有很大发展，从上世纪朱 到本世纪初，有多条年产几十万吨的钢管和棒材生产线投入生产。尽管我国的钢管 和棒材的产量有很大的增长，然而，对于特殊品种的管棒材( 包括稀有金属、有色 金属管棒材) 和精密管棒材的生产却不能够满足要求。在另一方面，大型钢管厂和 棒材生产厂投资高，要求的经济生产规模大，在市场形势好的情况下，能够产生较 高的效益。在市场需求有限的情况下，随着产品价格和需求量的波动，这些企业也 存在着较大的生产经营风险。如果市场容量减少，不能形成规模生产，将会导致生 产成本急剧增加，使企业难以满负荷生产，造成产能过剩。发达国家的经历已经证 明，当铡铁工业完成大型化、连续化后，随之而来的是向小批量、多品种、灵活的 柔性生产方式发展1 1 j 。 现阶段，我国的小型热轧钢管机组较多，年产量为几万吨的小型无缝钢管生产 线很多，这些企业也在逐渐向大型化发展，各自在筹建年产二十力吨左右的中等口 径以上的无缝钢管厂。因此，未来几年，无缝钢管的产能还会增加。 在无缝钢管生产中定减径是重要工序之一，对于中小型无缝钢管生产企业，由 于轧后钢管的温度不稳定，而定径温度必须高于6 5 0 7 0 0 。c ( 对锅炉蒸汽用管则必 须在高于7 5 0 。c 的温度下定径，对不锈钢( 1 c r l 8 n i 9 t i ) 则需高于9 0 0 。c ) ，过低的 温度必然造成冷硬脆性，影响钢管机械性能【引。但这些企业通常不具备使用步进式 再加热炉和张力减径机的条件，所以生产中迫切需要一种适用于定减径工艺的新型 的贯通式连续加热炉，使钢管经过再加热后进入5 ，- - - 8 架三辊定减径机进行定减径。 加热炉是轧钢生产中的重要设备，其能量消耗占生产总能耗的5 0 以上，因此设 计和使用结构合理、综合能耗低的加热炉是钢铁行业节能降耗的重要措施之一。低 能耗加热炉的特性主要体现在以下方面： 1 烧嘴燃烧效率高，燃料利用率高； 2 炉内温度分布合理，钢材受热状态好； 3 炉体导热系数低，热量损失少； 4 尾气热量回收效率高，环境热污染小； 5 工程造价低、占地面积小、使用寿命长、维护成本低。 太原科技人学轧制工程中心以加热炉的上述特性为目标，开发了满足用户生产： 要求的管棒材贯通式连续加热炉，笔者依据炉体导热系数低，热量损失少的目标要 贯通式加热炉炉壁温度有限元分析及结构优化 求，提出了论文研究课题，希望其结果能够用于炉体结构的设计和耐材的选用。 1 1 管棒材连续加热工艺简述 对于中小无缝钢管生产企业，其热轧毛管的尺寸多在l o o m m 左右，以下是某企 业提供的产品规格与生产工艺条件。 钢管尺寸：直径为1 0 8 1 3 3 r a m ，壁厚为5 m m ，长度为6 - - - - 8 m ； 来料温度：8 0 0 ； 出炉温度：9 5 0 ； 轧制速度：6 0 m m i n ； 燃料种类：混合煤气( 5 3 2 0i d n m 3 ) 。 根据轧制节奏确定加热工序，当钢管离开自动轧管机时，温度降到7 0 0 - 8 5 0 。c 左 右，钢管由辊道从长度方向直接进入贯通式连续加热炉再加热，以l m s 速度前进， 在炉中约停留2 0 s 左右后，温度达到9 5 0 ，然后由出炉辊道送至定减径机。考虑到 自动轧管机不能与定径机形成连轧，所以两台设备之间应该有满足钢管再加热温度 的距离。 1 1 1 管棒材连续加热工艺工艺特点 管棒材的连续加热主要有以下特点： 1 加热连续进行，加热温度和加热速度应满足轧制节奏的要求； 2 坯料应加热质量好，温度均匀，氧化和烧损少； 3 炉体为轻型结构，适于在轧制生产线上布置、安装、使用和维护； 4 便于燃料的输送和尾气的余热回收与排放。 根据上述要求，在炉体设计方面应该在满足工艺要求的前提下，尽量减小炉体 结构尺寸。因此在炉膛内尺寸确定的情况下，优化炉壁结构不仅能够减少炉体材料 的消耗，而且是保证加热炉使用性能的必要措施。 1 1 2 管棒材连续加热炉的类型 在轧钢生产中，适合于管棒材轧制使用的加热炉类型有：斜底炉式加热炉、环 形加热炉、步进式加热炉、二段或三段连续式加热炉、推杆式加热炉等1 3j 。在这些 加热炉中管棒材横向移动，需要较大的占地面积和较深基础，导致其在车间内布置 困难。同肘、由于炉体结构大多采用砌筑施工方式，建设、使用和维护十分不便。 而且在施j ：和维护过l 罕中会造成严重的环境污染。另外需要天注的问题是，炉体庞 大、除需要消耗大量的耐火材料外，t h 于炉体具有相当大的热容量和散热面积，所 第一章绪论 以在保证炉温的同时会有更多的热量损失。因此寻求炉体结构小、实行模块化设计、 工厂制作现场安装方便生产的轻型结构的连续式加热炉具有十分重要的意义。 本文涉及的贯通式连续加热炉就具有上述特点的。 1 2 贯通式连续加热炉 1 2 1 贯通式连续加热炉结构 贯通式连续加热炉，圆形或椭圆形炉膛，炉体采用分段式结构，各段炉体之间 用保温罩紧密连接，每段长度为若干米。采用混合煤气为燃料，平焰烧嘴，手动或 自动调节炉温，烧嘴沿炉体的周向布置，火口与炉体内壁相切。再加热炉采用钢管 作外壳，内衬耐火材料，使炉体成为一个整体。各段炉体间设置输送辊道，输送辊 道由调速电机驱动，辊子材质采用耐热铸铁，轴承为具有白润滑功能的滑动轴承。 炉体结构见图卜1 。 1 2 2 新型贯通式连续加热炉的特点与用途 这种新型贯通式加热炉的具有以下特点： 1 在炉内加热坯料的品种和产量不变的情况下，炉子各部分的温度和炉中坯料 的温度基本上不随时间变化，而坯料随轧制的节奏连续运动，炉气在炉内也 连续流动。一般情况，在坯料的断面，温度仅沿炉子长度变化。 2 烧嘴沿炉体的周向布置，火口与炉体内壁相切。有利于火焰的环向分布、均匀加 热，炉温高，且受循环热气流强烈冲刷，所以坯料四周受热，传热量大，加热速 度快。 3 输送辊道的辊轴是空心结构，便于冷却。 4 被加热件氧化烧损少，一般低于1 。 5 炉子热惰性小，一般4 0 6 0 分即可升到 ：作温度。 6 各段炉体间设置输送辊道，从而简化了炉体结构，便于辊道的维护与更换。每个 炉节独立安装，便于其整体更换和检修。 7 根据每段炉体所在温度区间，可以选择不同的耐火材料和耐材厚度，从而节约材 料，降低投资费用。 从贯通式连续加热炉的特点可知：这种炉子用于加热圆形断面坯料的效果最好； 也适用与坯料很长，但产量不大的加热与热处理，例如铡管在定减径6 订加热及常化 处理、石油钻管的淬火及回火处理和钢球轧机自订圆棒料加热等；还适用于特殊工艺 用途，如要求脱碳少的方坯轧前加热和氧化量少的板坯行星轧机前加热等。 贯通式加热炉炉壁温度有限元分析及结构优化 r 一 f _ 一 i 芦一 u ，7 ；i “ i - i f i 一一i l i ij i ： ，、 。j i l i | 二二f 图1 1 贯通式加热炉的炉体结构 f i g i i t h ef u r n a c eb i n d i n go ft h ep a s s t y p eh e a t i n gf u r a n c e 4 第一章绪论 1 3 燃烧与加热基础理论 1 3 1 煤气加热炉的煤气燃烧计算 1 3 1 1 燃烧发热量的计算1 4 j 高发热量：p g = 1 2 6 4 c o + 1 2 7 7 h 2 + 3 9 7 7 c h 4 + 6 9 6 6 、+ 9 9 1 2 c 3 h 8 + 1 2 8 4 7 c 4 h l o + 6 3 0 c 2 h 4 + 9 1 8 4 c 3 h 6 + 1 2 1 3 。9c 4 h 8 + 2 5 7 h 2 s ( 1 u n m 3 ) ( 1 1 ) 低发热量：鳞= 1 2 6 5 c o + 1 0 8 1h 2 + 3 5 9 6 c h 4 + 6 3 6 3 c 2 h 6 + 9 1 0 8 c 3 h 8 + 1 2 0 4 3 c 4 h l o + 5 8 9 8c 2 h 4 + 8 5 8 1c 3 日6 + 1 1 3 3 5c 4 h 8 + 2 3 6 9h 2 s ( k j n m 3 )( 1 - 2 ) 高发热量与低发热量的关系式： 鱿2 绒- 2 0 1 ( h 2 + 2 c h 4 + - l c 。4 ) ( 1 - 3 ) 式中c o 、h 2 、c h 4 、c 2 h 6 、c 3 h 8 、c 4 h 1 0 、c 2 h 4 、c 3 h 6 、c 4 h 8 、h 2 s 分别 为气体燃料中的体积成分( ) 。 1 3 1 2 燃烧所需空气量计算 每千克或每标准立方米燃料在理想条件下完全燃烧时所需空气量称为单位理论 空气消耗量厶；在实际条件下按一定空气系数燃烧时所需空气量称单位实际空气消 耗量三。实际理论消耗量与理论空气消耗量之比称为空气系数口。 各种燃料通过燃烧装置进行完全燃烧时必须通入大于理论空气消耗量的过剩空 气量，此时口 l ；根据热工要求进行燃料的不完全燃烧时，则通入的空气量小于理 论空气消耗量，此时口 l 或口 1 2 0 0 。c 时 9 11) ( 1 2 ) 贯通式加热炉炉壁温度有限元分析及结构优化 加热时问r = i t m k s - f s ( h )( 卜2 3 ) 式中s 一钢材加热厚度( m ) ； m 一一置放系数； k 一材料系数； 一尺寸系数。 1 4 课题的提出和所研究的内容 本课题研究的主要内容有： a ) 针对太原科技大学轧制工程中心开发的管棒材贯通式连续加热炉，对其炉体 结构和耐火材料传热特性进行分析； b ) 以该贯通式加热炉为研究对象，根据现场实际数据和相关条件并借助有限元 分析软件a n s y s 建立传热模型，利用该模型对炉身部分采用不同隔热层厚度后炉壳 温度的变化进行模拟计算，以获得合理的炉衬厚度，尽可能的减少蓄热损失和散热 损失，在不增加能耗的前提下得到合理的高温环境，从而提高加热炉的热效率。 通过本课题的研究能够对钢管连续加热的贯通式加热炉进行炉壁结构优化，从 而降低能源消耗，为该型式加热炉的设计提供指导，促进其在钢管和棒材生产领域 的推广应用。 1 5 本章小结 本章研究的具体内容如下： 1 ) 本章首先介绍了管棒材连续加热炉的类型和加热工艺，并对贯通式连续加热 炉的结构、特点及应用做了较为详细的介绍。 2 ) 然后阐述了燃烧以及加热的基础理论知识。 3 ) 最后陈述了课题提出的意义和所研究的内容。 l o 第二章贯通式连续加热炉炉罐结构与传热过程分析 第二章贯通式连续加热炉炉壁结构与传热过程分析 2 1 耐火材料种类、特点及性能比较 耐火材料一般是指耐火度在1 5 8 0 。c 以上的无机非金属材料。它具有一定的 高温力学性能、良好的体积稳定性，是各种高温设备必需的材料。 绝大部分耐火材料是以硅酸盐系统的矿物和岩石作为主要材料，它的生产 过程和基本特点与硅酸盐系统的其他产品相似。因此，长期以来，耐火材料均 列为硅酸盐系统中的一种产品。耐火材料工业也就成为硅酸盐工业系统中的一 个重要组成都分。 i io 耐火材料主要应用于冶金工业生产舶高温热工设备( 如高炉、平炉、转炉、 电炉、炼炉、焦炉、加热炉及有色冶金炉等) 和其他工业部门用的各种窑炉中。 耐火材料的品种、质量直接影响到炉子的寿命，劳动条件的好坏以及产品的产 量和质量l 引。 2 1 1 耐火材料种类与特点及应用 1 ) 酸性耐火材料通常指s i o ，含量大于9 3 的耐火材料，它的主要特点是 在高温下能抵抗酸性渣的侵蚀，但易于与碱性熔渣起反应。酸性耐火材料常用 的有硅砖和粘土砖。硅砖是含氧化硅9 3 以上的硅质制品，使用的原料有硅石、 废硅砖等，其抗酸性炉渣侵蚀能力强，荷重软化温度高，重复煅烧后体积不收 缩，甚至略有膨胀；但其易受碱性渣的侵蚀，抗热振性差。硅砖主要用于焦炉、 玻璃熔窑、酸性炼钢炉等热工设备。粘土砖以耐火粘土为丰要原料，含有3 0 4 6 的氧化铝，属弱酸性耐火材料，抗热振性好，对酸性炉渣有抗蚀性，应用 卢泛。 2 ) 碱性耐火材料一般是指以氧化镁或氧化镁和氧化钙为主要成分的耐火材 料。这类耐火材料的耐火度都较高，抵抗碱性渣的能力强。例如镁砖、镁铬砖、 铬镁砖、镁铝砖、白云石砖、镁橄榄石砖等。主要用于碱性炼钢炉、有色金属 冶炼炉及水泥窑炉等。 3 ) 硅酸铝质耐火材料足指以s i o ，一a l ，o ，为辛要成分的耐火材料，按其 a 1 ，0 ，含量的多少可以分为半硅质( a 1 ，0 ，l5 3 0 ) 、粘上质( a 1 ，0 ，3 0 4 8 ) 、 高铝质( a 1 ，0 ，大于4 8 ) 三类。 4 ) 熔铸耐火材料是指用4 定方法将配合料高温熔化后，浇注成的具有一定 形状的耐火制品。 贯通式加热炉炉肇温度有限元分析及结构优化 5 ) 中性耐火材料是指高温下与酸性或碱性熔渣都不易起明显反应的耐火材 料，如炭质耐火材料和铬质耐火材料。有的将高铝质耐火材料也归于此类。 6 ) 特种耐火材料是在传统的陶瓷和一般耐火材料的基础上发展起来的新型 无机非金属材料。 7 ) 不定形耐火材料是由耐火骨料和粉料、结合剂或另掺外加剂一定比例组 成的混合料，能直接使用或加适当朐液体调配后使用。不定形耐火材料是一种 不经煅烧的新型耐火材料，其耐火度不低于1 5 8 0 。 新发展的不定形耐火材料( 如耐火浇注料、耐火可塑材料、高温涂料和耐 火纤维等) 己部分代替了传统的耐火砖炉窑及其他有关部分。目前，炉衬正朝 着高强轻质和多层复合的结构发展【6 ，引。本文主要介绍一下耐火纤维与不定形材 料中的耐火浇注料。 2 1 2 耐火纤维 耐火纤维是以a 1 ，0 ，和s i o ，为主要成分组成的玻璃相或结晶相二元化合物。 还可以参加有益成分，如c r 2 0 3 等。纤维中的其它成分如凡：0 3 、c a o 、m g o 、 n a ，d 、b ，q 、t i o ，等都是杂质。耐火纤维的生产方法有多种，但目前工业规 模采用的都是喷吹法，即将配料在电炉内熔化，熔融的液体流出小孔时，用高 速高压的空气或蒸汽喷吹，使熔融液滴迅速冷却并被吹散和拉长，就可以得到 松散如棉的耐火纤维。耐火纤维以松散棉状用于工业炉只是使用方法之一，按 其制作方式不同还可分为毡、湿毡、复合毡、针刺毯、折叠毯、毯卷、真空成 型块等。 由于耐火纤维制品的热导率低、密度小、比热容与普通耐火砖接近，因此 与砖砌炉衬相比，其散热损失不大，而蓄热损失则大大减少。此外耐火纤维还 具有重量轻、绝热性好、化学稳定性好、容易加工等优点 3 , 6 , 1 0j 。 2 1 3 不定形耐火材料 不定形耐火材料是由耐火骨料、粉料和一种或多种结合剂按一定的配比组成的不 经成型和烧结而卣接使用的耐火材料。这类材料无固定的形状，町制成浆状、泥膏 状和松散状，用于构筑j 【业炉的内衬砌体和其他耐高温砌体，冈而也通称为散状耐 火材料。用此耐火材料可构成无接缝或少接缝的整体构筑物，故又称为整体耐火材 料。 不定形尉火材料通常根据其工艺特性和使用方法分为浇注料、呵塑料、捣打料、 喷射料和耐火泥等。 近年来，不定形耐火材料得到快速发展。目前，在加热炉中，不仅广泛使用普通 不定形耐火材料，还使用轻质不定形耐火材料，并向复合加纤维的方向发展。目前， 在一些发达国家，不定形耐火材料的产量已占其耐火材料产量的二分之一以上【7 ，8 j 。 不定形耐火材料不仅具有密度小、热导率较低、兼有耐火和隔热性能。而且施工 方便，筑炉效率高，能适应各种复杂炉体结构的要求。不定形耐火材料的使用，也 可以改善炉子的热工指标1 1 3 j 。 耐火浇注料是目前生产和使用最为广泛的一种不定型耐火材料，主要用于砌筑各 种加热炉内衬等整体构筑物。该贯通式连续加热炉使用的就是轻质耐火浇注料的配 料，表2 - 2 就是轻质耐火浇注料及理化指标1 4 j 。 2 2 炉壁结构 贯通式加热炉炉壁是由耐火层、保温层和钢结构几部分组成，并用钢丝网和锚 杆与炉壳固定，其中耐火层直接承受炉膛内的高温气流冲刷和炉渣侵蚀，为此采用 高铝质耐火材料浇注而成；保温材料采用硅酸铝耐火纤维制品，其功能在于最大限 度的减少炉衬的散热损失，改善现场操作条件，以保证炉内热交换过程的正常进行； 钢结构位于炉衬最外层，是厚度为l o m m 的螺旋钢管，其功能在于承担炉衬、燃烧设 施、检测仪器、炉门、炉前管道以及检修、操作人员所形成的载荷，提供有关设施 的安装框架。 2 3 贯通式连续加热炉炉壁传热过程分析 2 3 1 传热学的基础知识 传热学是研究热量传递规律的一门学科。固体的传热包括两种：一是固体内部的 导热主要是热传导过程；二是匿| 体和周围介质的热交换( 外部传热) 过程主 要是辐射、对流和传导i 】( 对流和传导在表面热交换过程中是不可分割地同时存在 的) 。 1 ) 导热 物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及白山电子等微观粒子的 热运动进行的热量传递称为导热。例如，窑炉炉衬温度高于炉墙外壳，炉衬内侧向 炉墙外壳的量传递是导热，铸件凝匝l 冷却时，铸件内部的温度高丁外界，铸件内部 向其外侧以及砂型中的热量传递也是导热。 温度场足窄i h j 毕标和时间的函数，即： 贯通式加热炉炉壁温度有限元分析及结构优化 t a b l e 2 1t h ei n g r e d i e n t so ft h el o w - w e i g h tr e f r a c t o r yc a s t a b l ea n dp h y s i c a la n dc h e m i c a li n d i c a t o r s 表2 1 轻质耐火浇注料配料以及理化指标 每m 3 材湿密度 序水最高 料中的水 干密度 使用热导率 重量配比灰泥用量 ( k g m 3 ) 温度 ( w ( m o c ) 】 号 ( k g ) ( ) 比 1 矾七水泥：蛭石砂： 0 93 9 81 2 3 01 0 0 0 陶粒= l ：0 9 ：1 1 51 3 2 0 矾土水泥：煤粉灰： 0 ，8 二= 二一 2 珍珠岩= 1 ：1 ：3 4 1 2 0 0 1 0 0 0 0 2 6 5 ( 6 0 0 。c ) 1 ，1 矾土水泥：粘十砖 粉：轻质粘士砖砂： o 8 1 7 0 0 0 4 4 6 6 ( 2 4 3 4 c ) 3 轻质粘土砖块= 1 ：4 6 0 1 4 6 5 1 3 0 0 0 515 8 ( 2 8 2 7 5 c ) 0 3 3 ：0 3 3 ：1 0 7 o 7 70 5 2 9 4 ( 3 0 3 5 7 c ) 矾j 卜水泥：轻质高铝0 3 9 3 7 ( 2 4 3 4 c ) 4 砖粉：轻质高铝砖 0 5 64 5 81 6 5 01 3 0 0 0 4 8 9 6 ( 2 8 2 7 5 c ) 砂：轻质高铝砖块 1 3 4 0 o 9 5 3 6 ( 3 0 - 3 5 7 。c ) = 1 ：0 6 2 ：0 2 5 ：0 6 3 矾土水泥：珍珠岩：5 2 o 2 1 9 6( 5 0 0 ) 5轻质高铝砖砂= l ：( 外1 3 4 01 3 0 00 3 2 5 1( 1 0 0 0 ) 2 ：2 加) 1 0 5 0 0 3 6 7 4 ( 1 2 0 0 ) 纯铝酸钙水泥：氧化 1 3 0 6 3 4( 5 0 0 ) 二= = 一 6 铝粉：氧化铝空心球( 外1 6 0 0 1 6 0 0o 7 2 1( 1 0 0 0 ) = 1 ：1 1 5 ：2 8 5加)0 7 6 3 8( 1 2 0 0 ) 低钙铝酸盐耐火水 0 79 0 0 7 泥：膨胀珍珠岩( 密 o 0 9 o 1 4 9 度1 0 0 1 7 0 ) = 1 ： 1 7 4 0 0 。8 2 0 1 2 5 0( 6 0 5 ) 3 1 0 磷酸铝6 2 5 、硫酸 铝2 0 8 ( 二者浓度常温 5 0 ) 纸浆残液 1 0 0 00 0 3 8 - 0 0 4 5 8 1 6 7 ，细成结合剂2 0 0 。2 5 0 o 1 3 8 结合剂：膨胀珍珠岩 ( 8 1 3 ) = 1 ：1 2 1 4 第二：章贯通式连续加热炉炉壁结构与传热过程分析 t = f ( x ，y ，z ，f ) ，( 2 一1 ) 式中x ，y ，z 所研究的空间直角坐标； f 时间。 由式可见，温度场可按随时间或空间坐标变化进行分类。如果温度场内各点的 温度不随时间变化，这样的温度场就是稳态温度场。如果稳态温度场仅和二个或一 个坐标有关，则称为二维或一维温度场。可分别表示为： t = f ( x ，y ) ， ( 2 2 ) t = f ( x ) ，( 2 - 3 ) 温度在空间沿方向n 的变化速度用一a t 表示。而“温度梯度，是指这样一个向 以 量，其数值上等于丁与，7 之比，当刀趋于零时的极限值，此向量的方向同指向温 度增加方向的法线重合： l 鲫l 2 蜘阱a t 豢，啪， ( 2 _ 4 ) 温度梯度的存在是导热的必要条件。实验证明，导热只发生在不同的等温面之 间，即从高温等温面沿着其法线向低温等温面传递。单位时间内通过单位等温面积 的导热量，称为热流密度，记作q ，单位是w m 2 。 热流密度与温度梯度有关。法国数学家傅旱叶( j f o u r i e r ) 在对各向同性连续介 质( 均匀物质) 导热过程的实验研究的基础上，于1 8 2 2 年提出：在任何时刻，均匀连 续介质内各地就地所传递的热流密度正比例于当地的温度场降度1 2 1 ，即： ；：一兄g r a d t ：一五_ a t ： ( 2 5 ) 上式就是导热基本定律一傅立叶定律的学表达式，它确定了热流密度与温度梯 度之间的关系。式中引进的比例系数五，称为导热系数，单位w ( i l l k ) 。它主要与 物质的种类和温度有关。 单位时间通过等温面a 的导热量称导热热流量，记为q ，单位w 。如果等温面上 各点温度梯度不同，则热流量为： q = 工q 幽= 卜挚( 2 - 6 ) 如果等温而l 各点温度梯度相i j ，则上式改写为： p ：一么五旦生( 2 7 ) a 门 由此可推导出导微分方程。墩介质内一微元控制体积( 见图2 1 ) ，通过x = x 、y = y 、 z = z 三个表面导入微元控制体的热流量分别记为q 、q l 、q ：。通过( x + d x ) 、( y + d y ) 、 贳通式加热炉炉肇温度有限元分析及结构优化 ( z + d z ) 三个控制表面导入控制体的热流量分别记为o x + 出、q y + 咖、q 础。内热源的发 热率记为q 。，单位是w m 3 。对于所研究的情况，六面体内的温度为t = f ( x ，y ，z ，f ) 。 因此，在微元体内沿三个不同坐标轴方向的温度梯度，分别也是坐标x 、y 、z 的函 d 图2 1 微元控制体 f i g 2 1i n f i n i t e s i m a lc o n t r o lv o l u m e 数。由热流量计算公式( 2 - 7 ) 可知，通过垂直于坐标轴的微元面的热流量q 、q ，、o ： 也分别是坐标x 、y 、z 的函数。 由于q 是x 的函数，并在x 至( x + d x ) 区间内连续可微，故可将它展开成泰勒级 数，只取前两项，则 q 肿出：q ，+ o ，、q x 出( 2 - 8 ) 用类似的方法可以导出q 什咖及q 抖出的表达式 q y + a y = 鲁方 9 ) q + 出：q + 孥d z d z 对于控制体列能量平衡方程 ( 2 一l o ) e ，一e 。+ e 譬= e 。 ( 2 11 ) 式中e ，能量流入项和e 。能量流出项分别是导入和导出微元体的热流量，即 e 产q x + qv + q ： e 。2q 。奴七qv + 如+ q ：+ d ： 1 6 ( 2 一1 2 ) ( 2 1 3 ) 第二章贯通式连续加热炉炉罐结构与传热过程分析 e 譬能量发生项是微元体内热源在单位时间内所释放出的热，则有 es 2q 。d x d y d z e 。能量贮存变化项是单位时间微元体内物质内能的增量，即 壹，：凹塑出d y d z。 a f 将以上各式代入式( 2 1 1 ) ，可得 q + q ，+ q ：一g 础一q y + d y - - q z + d z + g ，d x d y d z = p c _ a t 蝴 d f 将式( 3 8 ) 、( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) 代入上式后，可得 一孥d x 孥d y 一擎d z 乜d x d y d z ：娶蚴 o xo z0 1 由热流量计算式( 2 - 7 ) 可以写出 鲮一舭雾 g = 一一署 q z = - - 触咖篆 ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 在上式代入式( 2 一1 7 ) ，并在该式的两边同时除以微，亡的控制体积出砂出，则可以得 到： 伊等2 昙( 旯警) + 导( 兄多) + 昙( 旯警) 乜 c 2 一9 ， 当物体的物性参数p 、c 和旯为常量时，上式可简化为 要：口f 窑+ 窑+ 窑h 伊( 2 - 2 0 ) 瓦磁【萨+ 矿+ 可卜伊 这就是直角坐标系中导热微分方程。